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。      

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.      

毛细泵回路蒸发器的数值研究

文章针对毛细泵回路(CPL)蒸发器内的多孔芯结构, 建立了描述换热和流动的非稳态数值模型。该模型采用焓模型来处理多孔介质内工质的相变问题, 通过分区计算既避免了采用耗时复杂的自适应网格技术又能方便地跟踪汽液界面, 为处理多孔介质中的毛细力带来方便; 在处理流动问题时, 通过对源项的处理考虑了毛细抽力的作用, 体现了毛细抽力是CPL的动力源, 从给定的算例来分析, 该数值模型较好地反映了毛细芯的工作特性。     

毛细相变流体回路冷凝界面的稳定性

依据毛细管内冷凝液柱的卢卡斯-沃什伯恩(Lucas-Washburn)方程,获得了相变毛细管中流体上升高度与毛细管半径以及热流密度的关系式,并将此关系式推广到毛细相变流体回路中,利用小扰动理论通过对界面高度的变化来分析研究冷凝界面的稳定性。文章通过研究三种不同运行状态下的界面动力学行为发现,在实际运行过程中,蒸汽管路的压力波动将使冷凝界面形成具有一定振幅的波动。     

液氮贮箱常压停放实验与数值仿真

为研究低温推进剂的常压停放过程,设计了可视化液氮贮箱实验系统。实验中研究充填率和环境温度对液氮汽化量的影响,并测量贮箱内流体和贮箱外壁面的温度随时间和位置的变化。实验得出贮箱常压停放过程,相变主要在壁面和气液界面产生,并且气枕区存在温度分层,距出口位置越近温度越高;而液体区温度基本一致,处于饱和状态。贮箱外壁面在轴向的温度分布显著不同,处于液体区壁面温度低。运用分子动力学推导出的Hertz-Knudsen公式作为气液相变的传热传质源项,并据实验测得温度边界条件,采用混合物模型对贮箱常压停放状态进行30 min的数值仿真。仿真得到结果显示体积汽化速率与实验数据的偏差在5%以内,液体区的温度仿真与实验的偏差在0.15 K左右。      

微重力条件下初始液氢温度对低温推进剂贮箱气枕压力的影响

自生增压液氢推进剂贮箱在轨滑行阶段将长期（数百秒）处于微重力环境下，其贮箱压力受多种因素影响.液氢低温推进剂接近饱和温度时，因传热等影响而极易产生相变，从而影响贮箱压力.通过建立贮箱三维CFD模型，研究了不同初始液氢推进剂温度对于贮箱压力和温度变化等的影响.计算结果表明，气液界面附近推进剂温度与当前气体压力下饱和温度之差（过冷度）越大，压力下降速率越大.随着气体压力下降，气枕温度降低，压力下降速率也逐渐减小，压力变化曲线趋于平缓.在初始液体推进剂温度低于平衡温度的情况下，初始液体推进剂温度越高，平衡压力越高.      

一种空间相变换热器热设计与仿真分析及其改进

基于相变计算方法即焓法处理相变材料凝固/融化模型,对一个以水为主动冷却介质,内填充石蜡类相变蓄热材料的板式相变换热器的换热进行数值模拟.得到了不同重力条件下冷却面的温度分布,相变材料在融化过程中的动态温度场分布、相变界面分布、融化时间等结果,验证了该相变换热器的可行性.对比该相变换热器在重力与微重力不同条件下的性能差异,利用添加强化传热肋片与泡沫复合相变材料方法,提高了微重力条件下该类相变换热器的效率,可为空间相变蓄热装置的设计及实验研究提供重要参考.      

纳米复合相变材料熔化过程数值模拟

相变储能技术在航空航天等领域具有广泛的应用前景,但是相变材料导热性能差制约了其工程化应用。高导热的纳米材料能够有效提高相变材料的导热性能。为了对其相变现象进行更精细的模拟分析,基于Maxwell-Garnett等效介质理论（EMT）建立3种具有代表性结构的纳米复合相变材料详细物性参数,将流体体积（VOF）模型与焓-多孔介质模型相耦合,在考虑相变材料体积膨胀的情况下,数值模拟了纯石蜡、添加不同体积组分金刚石纳米粒子（ND）、单壁碳纳米管（SWCNT）和石墨烯纳米片（GnP）的纳米复合相变材料在定温边界条件下的固液相变过程。结果表明:相变材料熔化过程中对流效应主要分布在临近固液相界面、临近加热壁面及临近气液两相交界面这3个区域;3种纳米粒子中GnP的导热强化效果最佳,相比纯石蜡,添加体积分数为3%的GnP纳米复合相变材料固相导热系数提高了486%,相变材料的熔化时间缩短了69%;升高壁面温度能够有效缩短复合相变材料的熔化时间。      

小管径冷凝管的数学模型

基于环状流流型建立了小管径冷凝管的数学模型.模型考虑了气液界面表面张力的作用,在同一横截面上气相与液相存在压力差.对两相压降的计算,考虑了气液两相间的相互作用,包括摩擦切应力和动量转移切应力.应用该模型,可考察气相与液相压降、液膜厚度、气相与液相平均速度、气液界面切应力以及管内壁换热系数等的沿程变化情况.根据模拟结果可得:两相压降沿管长呈近似线性增加;气相平均速度沿管长先增大后逐渐减小,但变化范围很小,且远大于液相平均速度;动量转移切应力随液膜厚度增加而增大,同摩擦切应力相比不可忽略;管内壁对流换热系数随液膜厚度增加而减小,由于冷凝管的管径很小,即使蒸气冷凝趋于完毕,气液界面接近冷凝管中心线,换热系数仍较大.     

微重力条件下泡沫复合相变材料蓄热装置数值仿真

相变材料由于相变过程中吸收或者释放大量能量且过程近似等温这一特性而有巨大的应用潜力,将相变材料蓄热装置应用于航天器是维持航天器内各个单元工作温度的一种有效方法.提出一种基于正二十烷的相变蓄热结构方案,分别填充泡沫铜与泡沫碳作为基体材料来强化相变材料的传热性能.通过对该模型进行数值仿真计算,得到相变蓄热装置温度、固液相界面位置随时间的变化等有效数据,分析泡沫相变蓄热材料在微重力条件下相变界面的演变过程.结果显示,得益于其较高的导热系数,泡沫复合相变材料可将热源热量有效分散到其他区域,减缓热源面温度上升速度,并且降低重力变化对传热的影响.所得数据结果为泡沫复合相变材料的工程应用提供了科学依据.      

用一维恒温相变界面模型研究毛细芯蒸发器温度场

对ＣＰＬ毛细芯蒸发器提出了一维恒温相交界面模型：蒸发器壁、液体、蒸汽分别在横截面上的温度相同，即温度只有沿轴向才有变化；蒸发器壁、蒸汽分别和液体之间存在温度为饱和温度的汽液交界面，蒸发器壁、液体、蒸汽通过该交界面进行换热。根据此模型，应用带有特殊内热源项的一维能量守恒方程求解了温度场。在计算中估计并推荐了几个换热系数，给出边界条件后可得到蒸发器内温度场的数值解。蒸发器壁温的计算值与实验结果符合较好。     

微重力池沸腾中的气泡和传热行为数值模拟

基于标准动量传输方程、连续性方程以及能量方程,建立了单个气泡的二维数值模型,考察了微重力过冷核态池内沸腾中的气泡动力学和传热行为.在动量传输方程中耦合了表面张力和Marangoni力,连续性方程和能量方程中耦合了相变效应,考虑了加热面上过热液体层的影响,并引入相场函数捕捉气液界面的动态变化.结果表明:气泡在生长过程中,形状由最初的半球形变为椭球形,最后变为脱附时的梨形;气泡在加热面上自由迁移,呈非轴对称结构,并且气泡上部的温度场呈现为蘑菇云状;气泡的脱附直径正比于g-0.488,脱附周期正比于g-1.113,加热面上的平均热通量正比于g0.229.      

天舟一号货运飞船空间实验装置蒸发相变地面实验

以天舟一号货运飞船为依托,开展空间蒸发相变传热规律的科学实验研究,探索重力对蒸发传热传质过程的影响规律.设计了一套地面蒸发实验平台,以蒸发相变液体FC-72为研究对象,通过红外热像仪测温、热流量计、差分热电偶等手段,观测FC-72液层在不同台面温度、注液量等情况下的相变界面变化、蒸发表面特性、流体物性及Marangoni对流涡胞的变化等,获取其蒸发两相流体的液层温度差、表面温度场、热流量值、蒸发速率和涡胞结构等.实验结果表明:在其他条件不变的情况下,FC-72液层与蒸发台面的温差越高,其蒸发速率越快;注液量越大,蒸发速率也越大;在蒸发过程中出现了浮力对流涡胞和Marangoni对流涡胞.此外,通过地面蒸发实验可以确定空间科学实验选用的实验介质和材料,进而优化确定空间科学实验的工况、参数及流程等,部分地面实验结果也将直接成为天地对比实验的科学成果.      

实践十号卫星蒸发对流箱地面科学实验结果分析

实践十号卫星蒸发对流实验旨在研究置于加热底板的蒸发液滴在相变过程中,表面蒸发与表面张力驱动对流的耦合机理及其不稳定性.为与空间实验结果进行对比,利用蒸发对流箱完成在轨工况的科学匹配实验,获得相应工况的地面科学数据、工程参数及实验图像.通过对地面科学匹配实验结果进行分析,得到不同工况下液滴形貌（体积、表面积、接触角、液滴高度、液滴直径）变化规律,以及液滴蒸发过程中温度、热流量、蒸发速率和蒸发流量的变化规律.依据实验结果分析研究了具有质量交换的复杂流体相变界面的热质传输规律.      

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.     

低温射流抑制空间液氢储罐温度分层的数值研究

液氢是一种常用的沸点低、易蒸发的空间低温推进剂.空间微重力环境中浮力对流被极大减弱甚至完全抑制，当推进剂储罐壁面存在局部漏热时，储罐内部气液两相流会出现环绕漏热源的温度分层现象，引起局部过热沸腾，导致储罐内部压力急剧增大，危害系统结构安全.利用低温射流抑制温度分层现象是一种有效手段.低温流体通过设置在储罐内部的射流喷嘴与储罐内部的流体混合，消减局部高温，实现温度的均匀化.本文采用全充满的二维缩比储罐模型，对微重力条件下液氢储罐内局部漏热引起的温度分层现象进行数值模拟，分析低温射流条件对于消除微重力条件下液氢储罐内部温度分层效果的影响.      

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。     

CPL蒸发器传热和蒸发流动过程的分布参数模型

针对ＣＰＬ蒸发器，建立了可据以分析其传热过程和蒸发流动过程的分布参数模型，并就一个模拟算例进行了考察，得出了有意义的结论。该模型较之传统集中参数模型的优点在于，其计算结果反映出了蒸发器内沿轴向流动过程中各肋壁温度及肋壁与流动工质之间换热系数大小的变化情况以及蒸发器内局部蒸汽（或液体）的热力状况，因而为从细节上揭示ＣＰＬ蒸发器的传热性能及其工程模型的试验研究、优化设计等打下了一定的基础