空间在轨流体输运稳定性落塔实验

空间流体管理是微重力流体科学的重要研究方向之一,而有外力驱动的开口流道毛细流动界面稳定性研究是其重要的内容.设计研制了一种微重力双流道流体输运实验装置,采用的两个流道分别为截面相同的对称内角和非对称内角,并有相同的开口长度,在百米微重力落塔进行了10次双舱实验.通过分析不同流量下的液面特性,判定流动的类别,将流动形态分为亚临界、临界和超临界三种,确定了两个流道的临界流量,并对两个流道毛细流动的特征进行了比较.      

微重力环境下大叶片板式贮箱内流体行为的数值仿真与试验验证

大叶片板式贮箱是当前最为先进的一种新型贮箱,大叶片板式结构是该贮箱推进剂管理的核心部件.对微重力条件下大叶片板式贮箱内流体行为进行了数值仿真和微重力试验验证.采用液体体积分数法(VOF,volume of fluid)两相流动模型数值模拟板式贮箱内流体流动特性,得到了流体分布规律.搭建了大叶片板式贮箱缩比模型试验系统,对板式贮箱内流体行为进行微重力落塔试验,得到微重力环境下流体特性.数值仿真和试验结果表明,大叶片板式贮箱在微重力环境下管理流体性能良好,大叶片板式结构为空间流体(包括低温流体)管理提供一种良好的途径.同时本文仿真和试验为国内板式贮箱设计提供了必要的支撑数据.     

微重力环境下导流叶片流体传输速度的试验研究

导流叶片是板式表面张力贮箱的关键部件之一,微重力条件下,它的流体传输性能决定了表面张力贮箱的推进剂管理能力.搭建导流叶片模型试验系统,针对不同截面形状的导流叶片模型的流体传输行为进行微重力落塔试验研究,得到微重力环境下导流叶片流体传输规律.试验结果表明,不同截面形状的导流叶片对流体传输性能有较大影响,合理设计导流叶片截面形状可有效地控制液体传输速度,并且为推力器提供不夹气的推进剂.该试验成果不仅为新型板式流体管理部件优化设计提供参考,同时也为空间环境下流体控制提供了一种新的方法.     

微重力环境下蓄液器流体蓄留特性的试验研究

为验证板式贮箱蓄液器的蓄液性能,搭建了蓄液器模型试验系统,针对蓄液器模型的蓄液性能和流体传输行为进行微重力落塔试验研究,得到微重力环境下蓄液器的流体蓄留和传输规律.试验结果表明,相对于楔形蓄液器,双圆锥形蓄液器具有更好的蓄液能力,对于双圆锥形蓄液器,承受侧向加速度时仍具有良好的蓄液能力,合理设计蓄液器结构可有效地蓄留液体并控制液体传输速度.该试验成果不仅为新型板式流体管理部件设计优化提供参考,同时也为空间环境下流体控制提供了一种新方法.     

微重力环境下蓄液器流体蓄留特性的试验研究

为验证板式贮箱蓄液器的蓄液性能,搭建了蓄液器模型试验系统,针对蓄液器模型的蓄液性能和流体传输行为进行微重力落塔试验研究,得到微重力环境下蓄液器的流体蓄留和传输规律.试验结果表明,相对于楔形蓄液器,双圆锥形蓄液器具有更好的蓄液能力,对于双圆锥形蓄液器,承受侧向加速度时仍具有良好的蓄液能力,合理设计蓄液器结构可有效地蓄留液体并控制液体传输速度.该试验成果不仅为新型板式流体管理部件设计优化提供参考,同时也为空间环境下流体控制提供了一种新方法.     

二维微槽道电渗流的增强混合

微尺度流动中的混合一直是微流系统研制中的一个大问题,对壁面zeta势非均匀分布情况下的二维微槽道电渗流进行了数值分析,重点分析了这种情况下的微流动混合增强.基于电渗流的Helmholtz-Smoluchowski滑移速度模型,应用SIMPLE方法计算了4种滑移速度在整个壁面上的分布不均匀一致时的微槽道电渗流动的流场及被动标量在其中的混合.计算结果表明,滑移速度的非均匀一致导致微槽道电渗流中的流线发生剧烈的转折,从而使得微槽道流动的混合效率有很大的提高.流场中流线的转折越剧烈、转折的次数越多,微槽道流动混合效率的提高就越大.     

流向磁场作用下二维磁流体槽道湍流直接模拟

对低磁雷诺数近似下流向磁场作用的二维磁流体槽道湍流进行了直接数值模拟(DNS,Direct Numerical Simulation),给出了 Re=10 000时不同磁相互作用数下二维磁流体槽道湍流的近壁速度分布、湍流脉动速度均方根、雷诺应力等统计量的变化,并与中性流体二维槽道湍流进行了比较.结果表明:流向磁场作用会导致对数区上移;雷诺应力最大值随磁相互作用数呈线性变化;随着磁相互作用数的增大,下壁面平均涡量的时间演化由拟周期性向周期性转变,且脉动周期逐渐增大并当流动层流化后下壁面平均涡量成为常值.      

DMFC内部气液两相流动与电性能的短时落塔实验研究

利用国家微重力实验室落塔提供的短时微重力实验环境,对常重力和微重力条件下直接甲醇燃料电池(DMFC)内部的气液两相流动形态和相应电性能等的影响进行了实验研究,发现在微重力条件下,DMFC阳极流道内CO₂气泡速度很小,气泡尺寸随着时间的推移而不断长大,甚至堵塞流道;流道堵塞现象随电流增大而急剧强化.电性能曲线显示,在浓差极化区存在显著的重力效应,电性能的恶化随浓差极化程度的加强而增大.      

落塔微重力水平激光干涉测量方法中的干扰因素分析

落塔是获得微重力环境的重要设施,落塔微重力水平的测量对微重力科学实验的研究至关重要. 激光干涉是测量落塔微重力水平的一种新方法,这种方法的基本原理是让一个参考落体在落舱中自由下落,落舱由于受到服外空气阻力的作用将与自由落体运动略有差异,1 11. 肫内的参考落体则更接近理想的自由落体运动,这就使得落舱与参考落体之间存在着加速度差,这种加速度差便反映了落服的微重力水平,其所导致的相对运动则可通过激光干涉的方法测量出来. 本文对落塔微重力水平的激光干涉测量方法中将会遇到的一些主要干扰因素进行了分析,计算结果表明,这些干扰网素所造成的总误差约为 1.2 x 10-7g,低于微重力水平的预测值 10-4~lO-6 g,因此该方法是一种比较可行的测量方法.      

壁面展向匀速运动的槽道湍流的直接数值模拟

为了解展向存在匀速流动时湍流槽道流动的特性,应用直接数值模拟方法研究了壁面的展向运动对湍流槽道流动的影响.采用标准谱方法对固定质量流率条件下,上壁面展向运动速度分别等于零、流向流量平均速度以及两倍于流向流量平均速度等3种情况进行了直接数值模拟.结果表明,壁面的展向运动会导致表面摩擦力的增大,二阶湍流统计量诸如均方根速度脉动、雷诺剪切应力和均方根涡量脉动等都会随着壁面展向运动速度的增大而显著增长,同时,槽道截面上的均方根速度脉动也变得更均匀.      

Capillary movement of liquid in granular beds in microgravity.

A more complete understanding of the dynamics of capillary flow through an unsaturated porous medium would be useful for the development of an effective water and nutrient delivery system for the growth of plants in space. An experiment was conducted on the Mir Space Station that used an experimental cuvette called "Capillary Test Bed" to compare fluid migration under terrestrial laboratory conditions by positioning the cuvette such that the hydrostatic force is negated and on Mir under microgravity conditions. Differences in fluid migration in the cuvette were observed with migration being slower in microgravity compared with some ground control experiments.     

大鼠后肢去负荷体位调节装置设计与实验研究

通过对大鼠尾吊模型进行改进，研制出一种新型可调节体位的大鼠后肢去负荷悬吊装置，研究模拟微重力效应下体液分布变化对大鼠骨代谢的影响.将36只SD大鼠均分为对照组（CON）、头低位后肢去负荷组（HDT）、水平位后肢去负荷组（HH）和头高位后肢去负荷组（HUT）4组，实验21天后，利用DXA检测大鼠的骨密度（BMD）.模拟微重力效应下的三组大鼠后肢均发生严重骨丢失，其中HH和HUT组后肢BMD显著大于HDT组.实验结果表明，体液分布变化可能在模拟微重力效应导致的骨丢失中起到重要作用，新型大鼠后肢去负荷悬吊装置能够调节大鼠体位（体液）进行模拟微重力效应研究.      

侧向微重力环境下板式表面张力贮箱内推进剂晃动行为分析

侧向微重力是航天器在轨飞行时在东西位置保持和南北位置保持状态时所处的加速度环境.由于航天器贮箱内推进剂在侧向加速度环境下的重定位过程易产生晃动,因此侧向加速度环境对贮箱内推进剂管理装置(PMD)的管理能力的要求更高.为确保板式贮箱对推进剂的在轨管理能力,需要开展一系列的数值仿真与试验对PMD的管理能力进行验证.本文以板式表面张力贮箱为研究对象,采用VOF两相流模型对侧向微重力环境下重定位过程中贮箱内推进剂的运动进行数值模拟,并对推进剂运动中的晃动行为进行分析.最终,通过数值模拟结果验证了板式表面贮箱的管理能力,为微重力落塔试验与空间站试验提供参考依据.     

空间站微重力流体实验设备需求分析

对国际空间站和中国科学实验卫星及载人飞行器上开展的微重力流体实验情况进行论述和分析,重点分析了国际空间站（ISS）微重力流体科学实验设备情况.根据中国空间微重力流体物理科学发展需求,结合国际空间站微重力流体科学实验对设备的需求,提出了未来在中国空间站开展微重力流体实验时空间实验设备需要重点考虑和解决的问题,同时提出相关设计建议.      

地外人工光合成装置研制与试验

原位资源利用技术是地外生命保障体系构建、实现人类地外生存的有效途径，是载人深空探索的核心技术。基于微通道技术的人工光合成反应器，采用流动反应器设计，用于低微重力等特殊环境条件下模拟人工光合作用，实现CO２向O２和含碳燃料的转化。微通道芯片通过气液剪切作用力使气体反应产物快速脱离电极表面并随反应介质排出反应器，理论上可以克服微重力条件对反应过程的影响，尚需进行微重力试验进行验证。同时，微通道结构可以通过精确控制反应气液的压力、流速、流量比等反应条件，获得优化的反应条件。通过地面试验，验证了该反应器将CO２还原为O２和含碳化合物的功能可行性。以Au和Ir/C作为阴极和阳极材料，3V电压条件下，O２产率可达11.74mL/h。此外，基于人工光合成反应器搭建了集反应模块、控制模块、流路驱动模块以及检测模块等于一体的地外人工光合成装置，形成原位反应、介质供给、精确控制、在线收集和检测等功能一体化的系统，并实现CO２有效转换和O２供给。为后续技术成熟度更高的反应装置研制、高产物选择性的含碳化合物转化以及人工光合成反应装置在轨试验奠定了理论和实践基础。     

Marangoni and buoyant convection in an open cavity under reduced and under normal gravity

We give the first full analysis of the microgravity experiment MKB ( arangoni onvektion im offenen oot) conducted on board of the space shuttle during the D1-mission in 1985, together with that of some ground based experiments on thermocapillary flow in a rectangular liquid volume with free upper surface. Streamlines and velocity profiles under μ-g and l-g are presented and discussed. Strong thermocapillary flow was observed under μ-g after the rupture of a dirt-film suppressing surface tension forces. The Nusselt-number under microgravity due to thermocapillary flow for Ma = 4.6 · 10⁵ is at least Nu = 6 ± 1. Under l-g a separation of the surface tension driven convection roll of hot fluid circulating on top of colder fluid was found for large Ma. The coupling and decoupling of buoyant and thermocapillary forces has been further studied in an experiment varying the temperature gradient along the free surface independently from that in the bulk fluid.     

毛细泵环中两相循环回路的初步分析研究

本文初步分析研究了在微重力或失重情况下毛细泵环中两相循环回路的稳态流动，情况，提出了基于力平衡的两相循环回路一维稳态数学描述。从计算结果得出了最佳有效毛细孔半径等结论。     

微重力池沸腾中的气泡行为实验研究

采用图像分析方法,对实践十号返回式科学实验卫星沸腾气泡实验项目获得的微重力单气泡过冷沸腾实验图像进行研究,提取并分析了微重力条件下单个气泡的生长过程.实验中观察到气泡激发形成、稳定黏附生长和滑移三个阶段,其中气泡稳定黏附生长又可分为底部扩张与回退两个子阶段.在气泡稳定黏附生长的底部扩张子阶段,气泡半径可以表示为时间的指数函数,时间指数从初期小气泡时的0.42减小到中期的0.28,最终趋于0.气泡尺寸在气泡底部收缩之初略有回调,随后再次缓慢增大,直到过冷液体完全侵入气泡底部,使气泡与加热面脱离,并在外界扰动作用下在加热面上滑移.相关数据可以作为沸腾现象中气泡热动力学分析的依据.      

微重力煤粉燃烧实验装置的研制

介绍了一种空间煤粉燃烧实验装置, 用于研究微重力条件下煤粉颗粒群的热解、气化、着火、挥发的析出与焦碳燃烧及其燃尽等燃烧特性. 采用间断式喷入方式, 当炉膛内温度达到设定值时, 将煤粉通过一定氧气比例的空气喷入, 观察并记录煤粉在炉膛中的燃烧过程. 燃烧完成之后, 测量燃烧产物中的气体成分和含量. 给出了利用该装置在地面进行煤粉燃烧实验的结果. 详细介绍了该实验装置的系统构成、工作原理、工作过程, 并提出了进一步改进的方案.