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。      

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.      

环形浅液池内低Prandtl数流体超临界热毛细对流演化

为研究低Prandtl数（Pr）流体热毛细对流演化过程，对环形浅液池内Pr=0.011的流体热毛细对流进行三维数值模拟.研究发现:当Marangoni数较小时，流动为轴对称稳态流动；当Marangoni数超过某一临界值后，流动失稳并转变为热流体波，其波数随Marangoni数增加而减小，而波动主频增大；随着Marangoni数增加，流动加强，沿周向运动的热流体波演变为沿径向运动的径向波，其波数大大减小；当Marangoni数继续增加时，波动频谱曲线噪声增加，呈广谱特性.因此，在计算范围内热毛细对流的演化过程为:轴对称稳态流动-热流体波-单周期径向波-多周期三维振荡流动.      

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.      

热毛细效应对细丝薄膜流动不稳定性的影响

根据重力与热毛细力耦合作用薄膜在细丝上的流动情况,采用长波近似推导了界面的演化方程.通过色散关系分析热毛细作用对Rayleigh-Plateau稳定性的影响;通过时空模式的稳定性分析,研究了系统的绝对对流不稳定性特性;通过直接数值模拟,研究了薄膜破裂和绝对对流稳定性的关系.      

小型平板CPL实现高热流密度散热的研究

针对小型平板毛细抽吸两相流体回路(CPL)在高热流密度下的特点,分析了不同工质时系统的压力损失与毛细芯的毛细抽吸力,得出采用氨工质有着较好的传热性能和更高的毛细限,同时得出影响系统毛细限的主要因素是蒸汽联管管径和工质的蒸气密度,提出了工质传输系数作为选取工质的重要指标。建立了蒸发器多孔芯,金属壁面以及工质气、液空间区域的耦合数学模型,并运用SIMPLE算法进行求解,得出蒸发器内的温度分布及由于侧壁效应对多孔芯传热传质与传热极限的影响,同时提出小型平板CPL系统存在侧壁效应传热极限,它是影响系统最大传热量的一个重要极限,在设计小型平板CPL必须予以考虑。     

池沸腾现象中热毛细对流的成因

针对微重力条件下单组份液体池沸腾现象,探讨了有关热毛细效应作用及其成因的不同观点,指出正确描述气液相变界面两侧的温度关系是解决争议的关键.详细评述了现有的气液相变界面温度模型,发现气液相变的非平衡特征会导致气液界面上产生温度梯度,引起表面张力的显著差异,从而驱动热毛细对流的形成.但现有气液相变界面温度模型机理差异迥然,预测结果也差别很大,因此,需要更深入研究.      

CPL蒸发器毛细芯非饱和流动与传热的场协同分析

在非饱和三层模型基础上,从场协同的角度,对工质在CPL蒸发器毛细芯中的流动与传热情况进行了详细分析。对蒸发器的几何结构参数、毛细多孔芯特征参数以及热负荷变化对工质传热传质效果的影响进行了数值模拟。结果表明,利用场协同原理,可以解释不同的蒸发器结构参数和热负荷对蒸发器传热效果的影响,从而为优化蒸发器结构,提高CPL效能提供理论依据。     

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.     

Marangoni convection in a liquid layer under the simultaneous action of a transverse magnetic field and rotation

Asymptotic stability characteristics with respect to the onset of Marangoni convection in a liquid layer under the simultaneous action of a large transverse magnetic field and a large rate of rotation are investigated. In certain parameter ranges there is a decrease in critical Marangoni number for increasing magnetic field and rotation depending on the coupling between interfacial perturbations and rotation.     

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.     

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.     

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.      

A sounding rocket experiment on the marangoni convection

During a 6-minutes free flight of a sounding rocket an experiment on the thermal Marangoni convection in a right circular cylindric floating zone was carried out to verify the thermal Marangoni convection by flow visualisation for the first time at 10^?4 g. From the motion picture analysis the velocity distributions are obtained. The interdependence between the two velocity maxima and the S-shaped temperature distribution on the free surface is discussed. The influence of the heat transfer caused by the flow of the surrounding air induced by the thermal Marangoni convection itself is considered briefly.     

Mass and heat exchange in liquids enclosed in containing walls at zero gravity

The dominant phenomena in miscible binary mixtures of melts are the four transport processes (thermal diffusion, heat transfer, concentration diffusion and diffusive heat transfer). In binary melts with no perfect solubility of the components in solid and liquid phase also internal Marangoni convections driven by interfacial forces seem to be possible.