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.      

单气泡池沸腾传热中的重力效应数值模拟

本文数值模拟了不同重力条件下饱和状态的FC-72在厚度5 mm的SiO2固壁上的单气泡池沸腾传热现象及相应的气泡动力学和传热性能.固壁底面给定均匀过热度10 K,其瞬态热响应被考虑在内.通过多个气泡周期的计算,得到了准稳态的沸腾过程.结果表明,在小热流密度下,气泡脱落直径Db反比于重力的1/2次方,且与Fritz模型一致;气泡脱落频率f则正比于重力.传热特性存在2个明显不同的区域,即重力相关区和重力无关区,其分界位置约为0.03g0:高于该临界重力时,热流密度与重力相关,恒定过热度下热流密度与重力呈确定的指数函数关系;小于该临界重力时,热流密度与重力无关.临界重力值对应于基于Laplace长度的无量纲加热器长度约2～3之间,与Raj-Kim-McQuillen重力标度模型建议的2.1相近.重力相关区标度指数随着过热度增大而单调增大,但明显大于Raj-Kim-McQuillen重力标度模型预测结果.研究结果还表明固壁瞬态热响应对重力无关区传热性能的影响比重力相关区更为明显.     

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.      

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.      

失重飞机搭载气 /液两相流实验研究

利用俄罗斯IL-76MDK失重飞机对失重条件下方形截面(12mm×12mm)管道内气/液两相流动进行了实验研究,观测到失重条件下气/液两相泡状流、弹状流和环状流等三种主要流型,同时得到了气、液两相介质的流量、温度和实验段内压力等结果,分析了失重条件下方形截面管道内气/液两相流型转换的条件.      

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.      

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.      

部分重力驱动的两相流体自然循环回路传热性能的数值仿真

针对部分重力辅助两相流体自然循环系统构建了数值仿真模型,对不同运控条件下的月面部分重力场(g/6)和地面常重力场(1g)的嫦娥三号月球车两相流体自然循环系统稳态性能进行了数值仿真研究。数值仿真结果表明,地面重力场模拟系统能够真实反映月面重力场应用系统的性能;对于月面部分重力场中的两相流体自然循环系统,随着系统压力的增加,绝大多数工况下系统阻力减小,但在环境温度较高时,系统特性参数对系统阻力存在双值现象,可能存在系统不稳定现象,引起系统波动,甚至传热恶化。