上随体Maxwell(UCM)流体热毛细液层弹性失稳的理论分析

通过对上随体Maxwell（UCM）流体热毛细液层线性稳定性的研究分析,发现流场会发生弹性失稳.扰动的增长速率随波数的增加而增加.与牛顿流体不同,UCM流体不存在临界Marangoni数,当波数达到某一临界值时会出现不稳定的弹性扰动波.该临界波数随弹性数和Marangoni数的增加而减小,当弹性数趋近于0时,流体即变为牛顿流体,而相应的临界波数趋于无穷.不同波数及传播方向上,弹性波的波速相同,而其增长速率在特定方向上达到最大.能量分析表明弹性波的扰动能量来自扰动应力做功.      

微重力环境下蒸发液层热毛细对流的数值模拟

提出了一种新模型来研究由单一物质构成的液层在其纯蒸气中的蒸发.液层置于微重力环境中并且受到水平方向温度梯度的作用,液层的热毛细对流和蒸发耦合在一起,使得气液界面的传热传质规律更加复杂.用理论分析的方法求解了不考虑热毛细效应的纯蒸发模型,得出温度场分布和界面质量流量的解析表达式.对于热毛细对流和蒸发耦合情况,采用有限差分的投影算法同时求解Navier-Stokes方程和能量方程,得到了不同蒸发Biot数和Marangoni数下流场和温度场的稳态数值解.论述了蒸发Biot数和Marangoni数对界面传热传质的影响,提出并解释了蒸发和热毛细对流耦合的三种模式.      

含内热源的多孔方腔自然对流非正交MRT-LBM模拟

为了增强多孔方腔内流体流动与传热效果，采用非正交多松弛格子Boltzmann方法（MRT-LBM）对含有内热源的多孔方腔自然对流传热现象进行了数值模拟。研究了不同冷源布置方案（Scheme A~Scheme F）、内热源结构形式（Case 1、Case 2、Case 3）、内热源位置（a、b）、Darcy数、Rayleigh数等对多孔方腔内流体流动与传热的影响。计算结果表明:冷源布置方案对腔内流体流动与传热具有重要影响，当冷源左右对称布置时，腔内温度场及流场亦对称分布；在高Rayleigh数下采用Scheme A的双上部冷源布置方案能明显提高腔内的传热强度；内热源的形状对腔内对流传热影响很大，高Rayleigh数下，Case 3的布置方式更好。内热源的位置a和b对腔内的传热影响明显，提出了热壁面平均Nusselt数与位置a的拟合关系式，存在最佳的位置a（a=0.25），使得腔内的对流传热最强；热壁面平均Nusselt数亦随b值变化表现出特定的变化规律。随着b值的增加，热壁面平均Nusselt数呈现先增后减再增的趋势。      

环形液池热毛细对流的线性稳定性研究

对外壁加热的环形液池热毛细对流进行了线性稳定性分析.采用Chebyshev配点法对Pr=6.8、内外径之比为0.5、深宽比A范围为0.25～1.4的数值结果进行分析,发现流动的临界状态均为振荡形式,并且随着A的增大,临界雷诺数减小,相应的临界波数与振荡频率也呈减小趋势.能量分析结果表明,小扰动与基本流相互作用项较小,表面张力在径向做功与周向做功对小扰动的动能变化起主导作用.观察三者与液池深宽比的关系,发现A=0.8时表面张力在径向做功项达到极小值,周向做功项以及小扰动与基本流相互作用项达到极大值.      

蒸发效应与热毛细对流耦合现象的实验研究

实验研究了矩形液池中蒸发薄液居中蒸发效应与热毛细对流的耦合机理. 对于单纯的热毛细对流稳定性从实验和理论上已有深入研究,但目前国际上对带有菇发界面的热毛细对流问题尚缺乏研究. 特别是近来的研究发现,气液界面的蒸发对热毛细对流稳定性有很大的影响. 本实验以温度为主要控制参数,测量了不同工况下蒸发界面不同点的蒸发速率和表层温度,并利用 PIV 方法分析得到了液体内的嘛场分布. 实验结果发现,随着沿界面的温差增加,蒸发液体内的流型从稳定的单涡胞结构变为稳定的多祸胞结构,并最终演变为紊流结构. 综合分析以上测量结果并与理论分析结果进行了比较。      

相变材料熔化过程中自然对流振荡现象数值计算研究

为了解自然对流对相变材料熔化过程的影响,对相变材料液相区自然对流振荡现象进行了研究,建立了固/液相统一的控制方程,采用焓-孔隙度法和Boussinesq假设,模拟了重力条件下熔化过程,结果表明:当瑞利数(Ra)较小时,液相自然对流具有稳定解,随着Ra数增大,自然对流从稳定流动向周期振荡过渡。     

中国中部低层大气行星波无线电探空仪的观测研究

通过分析武汉、宜昌和恩施气象局无线电探空仪2001-2003年的观测数据,研究了中国中部地区对流层和低平流层中行星波的特性.通过Lomb-Scargle(L-S)的周期图方法发现了周期为准16天和周期为准10天的谱分量占据着主导地位.观察发现,较大振幅的行星波振荡主要集中在5-15 km之间.准16天行星波沿纬圈向西传播,对应的纬圈波数大约为2,水平波长约为17 324.8 km,传播相速度约为-12.5 m·s-1(东向为正),通过计算准16天行星波在10 km以下相位随高度的改变可以得到其垂直波长大约为25-30 km,而在对波层顶附近其相位几乎没有发生改变,呈现出静态波特性.准10天行星波沿纬圈向东传播,对应的纬圈波数大约为4,水平波长约为8627.3 km,传播相速度约为10.0 m·s-1,垂直波长约为22-40 km.      

高压高剪切率下密封环缝隙流体动态润滑特性

为减少高压高剪切率下热效应对密封环缝隙流体润滑性能的影响,以密封环缝隙流体剪切速度梯度、壁面剪切应力和油膜温升表征摩擦副润滑性能,采用RNG k-ε湍流模型,通过Workbench建立流-固-热多场模型,计算得到不同主轴转角下缝隙流动形态变化规律和温升前后油膜厚度变化量、不同L型槽内外径比及长径比下流速流型分布规律、壁面剪切应力、温度分布和热变形量。研究结果表明:密封环L型槽黏性底层随剪切速度增大而增厚,油膜厚度随运动周期增加而变薄;当L型槽内外径比小于1.07时,随比值减小密封环壁面剪切应力不断增大,最大变化率为7%;密封环L型槽长径比在0.19时平均壁面剪切应力达到最大,当长径比继续增大时,油膜区剪切速度梯度逐渐减小,油膜温升和热变形亦随之减小。研究结果可为马达优化以减少能量损失和改善密封环润滑条件提供理论指导和依据。      

环路热管复合芯传热与流动特性分析

环路热管是目前航天器热控制领域最前沿的热控技术之一,而高性能的毛细芯是其高效可靠运行的保证.为不断提升毛细芯的综合性能,目前毛细芯由单一结构向着复合结构发展.建立了圆柱型蒸发器环路热管应用的双层复合结构毛细芯的数学模型,对其传热与流动特性进行了分析,重点考察了热载荷以及复合芯内外层厚度比的影响,并同单一结构的毛细芯进行了比较.分析结果表明:复合芯在获得高的毛细抽吸力和蒸发效率的同时,可实现低的流通阻力与径向热导,其传热与压降特性明显优于单层芯,是高性能毛细芯的发展趋势;当复合芯的整体尺寸一定时,复合芯内外层的厚度比越大,复合芯的径向热导和流通阻力越小,有利于提高环路热管的运行性能.     

超临界压力RP-3在竖直细圆管内混合对流研究

研究了超临界压力下碳氢燃料航空煤油RP-3在竖直细圆管内混合对流,分析了浮升力及热物性对碳氢燃料在垂直管中对流换热的影响。实验中控制热流密度从200~500 kW/m2变化,进口压力变化范围为3~5 MPa,进口雷诺数从5 000~10 500范围内变化。研究表明:在向上流动情况中进口段存在较为明显的入口效应,换热出现恶化现象,而在向下流动中未出现;对于向上和向下流动,由于热物性的综合影响,换热系数沿流动方向增大;在较低进口雷诺数(Re=5 700)时,对于向下流动,随着浮升力影响的增大,浮升力改变了流体径向速度分布,出现了换热强化;在较高进口雷诺数(Re=10 500)时,浮升力对换热的影响依然显著;判别式Bo*数小于5.6×10-7未能预测浮升力对碳氢燃料换热影响。      

Hydrothermal instability of thermocapillary convection in large-Prandtl-number liquid bridges under microgravity

Linear stability analysis was performed to study the mechanism of transition of thermocapillary convection in liquid bridges with liquid volume ratios ranging from 0.4 to 1.2, aspect ratio of 0.75 and Prandtl number of 100. 2-D governing equations were solved to obtain the steady axi-symmetric basic flow and temperature distributions. 3-D perturbation equations were discretized at the collocation grid points using the Chebyshev-collocation method. Eigenvalues and eigenfunctions were obtained by using the Q–R method.The predicted critical Marangoni numbers and critical frequencies were compared with data from space experiments. The disturbance of the temperature distribution on the free surface causes the onset of oscillatory convection. It is shown that the origin of instability is related to the hydrothermal origin for convections in large-Prandtl-number liquid bridges.     

Oscillatory thermocapillary convection in floating zones under normal- and micro-gravity

The thermocapillary convection in a floating zone becomes oscillatory, exceeding a Marangoni number of approximately 10⁴. The oscillatory state of thermocapillary convection has been verified under 1 g and 10^?4 g and the features seem to be fairly independent of the gravity level. The transition point from the laminar to the oscillatory state (critical Marangoni number), however, depends on the magnitude and direction of the buoyant force.     

热毛细液层非模态稳定性分析

利用非模态稳定性方法研究了亚临界情况下的热毛细液层对初始扰动和外加激励的敏感性.通过瞬态增长函数和反馈函数分别反映流场对初始扰动和外加激励的放大.研究结果表明, 小Prandtl数(Pr)下的亚临界流动对初始扰动和外加激励均十分敏感,最大扰动放大与Reynolds数(Re)的平方近似成正比.在大Pr下,只有回流的亚临界...     

热毛细对流模式转换及温度振荡特征

研究了矩形液池中由于两端温差引起的热毛细对流的温度振荡临界条件.在实验室中,设计了一个高分辨率的温度测量系统,用于实时观测并记录流体的温度.该系统主要由热电偶温度传感器、纳伏表和数据采集电脑3部分组成.得到了各种实验条件下温度振荡的临界条件,并且讨论了它与Prandtl数和Bond数之间的关系.利用flow3d软件数值模拟了微重力条件下的热毛细对流,发现了一种由于自由面变形和液层流场相互作用导致的晃荡的现象.     

Microgravity experiments on the transition from laminar to oscillatory thermocapillary convection in floating zones

The onset of oscillatory thermocapillary convection in floating zones has been measured under microgravity in two sounding rocket experiments TEXUS and on board of the satellite SPAS-01. We report on the critical Marangoni numbers measured under μ-g and in the 1-g reference experiments     

微重力条件下悬浮区中的Marangoni对流

本文研究微重力条件下悬浮区中的表面张力梯度驱动对流。采用有限元方法数值研究二维、轴对称悬浮区中的定常流动和温度分布,讨论P_r数及自由面上散热条件的影响。计算表明,P_r数(M_α数)增大时,流区大部分自由表面上温度梯度减小,流区流速较小,对流热输运较扩散效应增强。只要能维持自由面上一定的温度梯度,在较大的P_r数(M_α数)时,仍能得到收敛的定常解。     

EFFECTS OF CONVECTIVE FLUID MOTION UPON OXIDE CRYSTAL GROWTH IN HIGH TEMPERATURE SOLUTION

For understanding of the influence of convective flow on crystal growth, space high temperature in situ observation instrument (SHITISOI) is dedicated to visualize and record the whole growth process of oxide crystals in high temperature up to 1000°C. Model experiments using transparent liquids such as KNbO3 and a mix ture of Li2B4O7+KNbO3 were chosen to investigate effects on ground and in space.On the earth, an investigation of growth kinetics of KNbO3 crystal related to two different states of convection: diffusive-advective flow and diffusive-convective flow,has been performed. The per unit length of a step e is calculated from the exper imental data for two different states of convection. Analyses of these data show the effect of buoyancy convection is to enhance the sharpness of the interface. The growth of KNbO3 crystals from solution of KNbO3+Li2B4O7 was investigated in space. The streamlines of the steady thermocapillary convection in Li2B4O7 solvent was observed. Due to thermocapillary convection, KNbO3 crystal grains grew and filled the whole solution homogeneously. Earth-based quenching experiments are de signed in order to study polyhedral instability of KNbO3 crystal, which is controlled by diffusion mechanism limitation. In all cases, when the crystal was nucleated near air/solution surface, it lost its polyhedral stability and varied from polyhedrons to dedrites. The thickness of diffusion mechanism limitation layer is about 60μm.