基于流动沸腾气泡脱落行为的重力无关性分析

在流动沸腾现象中，气液两相密度差异导致重力对流动和传热性能产生很大影响，因此重力效应研究对于流动沸腾的航天应用具有重要意义.在对Bower-Klausner-Sathyanarayan重力无关准则（BKS准则）分析的基础上，提出其判据存在理论缺陷，不能正确反映重力效应.采用与BKS准则相同的气泡脱落模型，但忽略气泡沿加热管壁的滑动效应，重新计算常重力条件下不同流动方向起始沸腾阶段单气泡的脱落尺寸，归纳得到一个新的基于Fr（Froude数）的重力无关准则.该准则与实验结果符合更好，且与主导作用力准则基本相符.      

孤立气泡生长过程的短时微重力落塔实验研究

利用中国科学院国家微重力实验室北京落塔提供的3.6s微重力时间开展了短时微重力条件下的池沸腾实验研究, 分析了微重力条件下孤立的单个气泡生长过程特征. 实验中采用掺杂磷的N型光滑硅片作为加热面(加热片尺寸10mm×10mm×0.5mm), 以含气率0.0046 (气液摩尔分数比)的FC-72作为工质, 利用恒流源对加热片通电加热. 通过对实验观测到的单个气泡生长图像及相应传热数据分析可知, 经典传热机制控制的气泡生长模型可以描述其早期特征. 相关模型中经验参数的拟合结果在文献报道的数值范围内, 表明重力对气泡生长早期影响较小, 但较大的气泡尺寸可以提供更准确的数值结果.      

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.      

微重力池沸腾传热研究

对利用中国返回式卫星搭载开展的两次微重力池沸腾空间实验及地基常重力和落塔短时微重力实验的结果进行了评述. 研究发现微重力时丝状加热器沸腾传热会略有强化, 而平板加热器则在高热流条件下明显恶化. 微重力时, 气泡脱落前存在沿加热面的横向运动, 加剧了相邻气泡间的合并, 合并气泡会在其表面振荡作用下从加热面脱落. Marangoni 效应对于微重力气泡行为有重要影响.      

微重力下加热面尺寸对气泡动力学行为的影响

为揭示微重力环境下加热表面尺寸对气泡动力学行为的影响，通过对比实验研究了不同热流密度条件下两种尺寸芯片表面核态沸腾过程中气泡的动力学行为.结果表明，低热流密度时两种尺寸芯片表面均能维持典型的孤立气泡沸腾，气泡生长合并过程缓慢，仅大芯片表面气泡脱落，并且体积达到小芯片气泡的3.4倍.两芯片在中等热流密度下均呈稳定的核态沸腾，气泡生长合并加速、脱离频率升高.大芯片表面气泡脱离次数明显高于小芯片，脱离气泡产生的尾流效应减小了后续气泡的脱离直径，进而有效抑制了气泡底部干斑的形成.高热流密度时，小芯片处于膜态沸腾状态，沸腾换热显著恶化；而大芯片表面仍能维较持稳定的核态沸腾.因此，增大芯片尺寸能有效促进气泡脱离，提高临界热流密度.继续升高大芯片热流至临界热流密度之上，虽然进入膜态沸腾换热状态，但是气泡无法完全覆盖芯片表面且可缓慢滑移，从而缓和了芯片温度上升速率.      

微重力下三角形微通道内冷凝换热分析

采用VOF模型和自定义函数的方法对三角形微通道内冷凝换热特性进行了数值模拟研究.为验证模型的合理性,将计算得到的传热系数与文献中经验关联式的结果进行对比.分析了重力和表面张力对气液界面分布和传热性能的影响.结果表明,重力对微通道内气液界面分布和截面平均传热系数的影响很小.表面张力在非圆形微通道内的冷凝过程中发挥主导作用.在表面张力作用下,更多的冷凝液流向尖角,使壁面附近液膜厚度变薄,传热阻力减小,传热系数增强.      

不同重力条件下水平管内气液两相流流型及空隙率分布的数值模拟

基于VOF方法建立了不同重力条件下水平管内气液两相流动的三维非稳态数学模型并进行了数值求解, 研究了10-4g₀, 0.17g₀, 0.38g₀, 1g₀ (g₀=9.8m·s-2)四种重力条件下水平管内气液两流型及变化规律, 比较了不同重力条件下管内截面空隙率的分布和波动规律. 研究结果表明, 该模型能够正确预测不同重力条件下水平管内气液两相流的流型、截面空隙率和滑速比等重要参数; 同一气液两相表观速度工况下, 随着重力水平的升高, 气相更容易在水平管的上部积聚合并, 致使流型发生变化, 同时, 气液两相滑速比增大, 截面空隙率波动峰值的平均值下降, 波动频率降低; 而随着气液两相表观速度的增大, 两相混合工质内惯性力作用也随之增强, 这将削弱重力变化的影响.      

过冷核态池沸腾中的Marangoni效应

分析了过冷核态池沸腾过程中气泡横向运动现象,指出其成因在于相邻气泡界面温度差引起的Mara-ngoni对流对周围液体的吸引.通过对该流动的尺度分析,得到了气泡横向运动特征速度及其可观测度的估算公式,其预测结果与实验观测相一致.特别是对极细小的初始核化气泡,该公式预测了强烈的横向Marangoni对流会导致气泡顶端微射流的形成.该效应在加热面水平向下或微重力沸腾等气泡脱落频率较低的情形中尤为重要.      

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.      

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.     

挡板对液体推进剂晃动力的影响

研究了全尺度重力探测卫星－Ｂ贮箱对于安装档板和不安装挡板情形下液体推进剂晃动的液体动力特性。结果显示,以重力瞬变加速度和重力梯度加速度为作用力的轨道加速度使液体推进剂产生了晃动,安装挡板使晃动幅度减小。由于推进剂在贮箱中上下运动的同时伴随着左右运动而产生了作用于贮箱上的力,通过液体推进剂与贮箱壁面的应力关系计算了作用在贮箱上的力。计算模拟结果显示,挡板产生的阻尼在减少流体晃恸 的同时也减少了流体作     

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。     

上升气泡与塑料平板在纯水中的碰撞黏附行为

为了揭示气泡尺寸和表面疏水性对塑料浮选过程的影响规律,采用高速摄影技术观测上升气泡与塑料平板在纯水介质中的碰撞黏附行为。根据气泡速率的变化情况,将碰撞黏附行为细分为碰撞、液膜排液、三相接触线扩散等3个阶段,基于图像处理技术定量分析了气泡碰撞形变、黏附时间、三相接触线扩散特性及其影响因素。结果表明:变形因子随气泡直径的增大由略大于1.00逐渐演化为略小于1.00,疏水性强的塑料平板使相同直径气泡的变形因子更大,碰撞时间随气泡直径的增大而增加,随疏水性的增加而减小。塑料平板疏水性越强,形成三相接触所用时间越短,当气泡直径为1.0 mm时,聚四氟乙烯（PTFE）和聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）平板的液膜排液时间均出现极小值,分别为4.8 ms和56 ms。三相接触线扩散时间随气泡直径的增大而增大,随塑料平板疏水性的增大而减小,在气泡直径大小相同时,三相接触线扩散直径随塑料平板疏水性的减小而减小。      

Marangoni effects under electric fields

An electric field when applied across liquid-liquid interface was found to cause, due to different susceptibilities of the two phases, what the authors would term as Marangoni “type” of instabilities, that resulted in the generation of bubbles/drops and caused the movement of the interface countering gravity. Thus “mixing” of the two phases would occur and in systems involving mass transfer, enhanced rates of transfer could be expected.Equations for the bubble formation involving parameters such as electrostatic pressure, surface tension, gravity force have been derived.In the case of non-gravitational or weak-gravitational fields such as obtainable in space, the separation of two liquids one below the other, as obtaining on the earth, exhibiting an interface may well nearly be impossible. Under such conditions recourse may have to be taken to super-imposition of other fields as a tool for obtaining the necessary contacting/separation. The dynamics of bubble formation etc. under these contexts are theoretically analysed.     

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.      

微重力量值对气液两相流相分布及液相湍流统计量影响的数值研究

气液两相流在空间领域具有广阔的应用前景, 深入理解微重力量值(微重力大小)对相分布和液相湍流的影响十分必要. 采用欧拉elax-elax拉格朗日双向耦合模型深入研究了不同微重力量值对相分布和液相湍流的影响. 液相速度场通过直接数值模拟求解, 气泡的运动轨迹由牛顿运动方程跟踪. 研究表明, 气泡分布和液相湍流与微重力量值均具有直接联系. 在低微重力量值下, 气泡近似均匀分布在槽道内, 且对液相湍流统计量几乎没有影响; 然而当微重力量值较高时, 大量气泡聚集在壁面附近, 液相湍流由于气泡的注入受到极大调制.