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。     

低真空、微重力对空间装置中气体自然对流传热的相似影响

以空间装置中气体自然对流传热问题为目标,导出显含温度和压强两个独立热力学参数的Rayleigh 数和Knudsen 数的表达式,分析了各个特征压强段气体传热的不同状态,比较了在连续介质流动中低真空(压强大于10Pa)和微重力对空间装置中气体自然对流传热的相似影响,导出了气体压强与重力对低真空气体自然对流的影响的相似性关系式,由此可以推断低真空或微重力状态下气体自然对流的强弱的相互关系。     

航天器舱内气体对流换热的地面模拟试验方法

对航天器舱内气体对流换热的地面模拟试验方法进行了系统地理论分析,包括热缩比模型法、降压法和浓度比拟法三种。分别给出了各种方法的相似律或相似准则及其应用的约束条件,并从原理上定性比较这三种方法的优缺点。分析表明,热缩比模型法在保持Ｒｅｙｎｏｌｄｓ数不变的前提下可明显减弱自然对流的影响,但这种方法不能用于工程原型;降压法可用工程原型进行模拟试验,但不能用于液体流动问题;然而这两种方法的共同缺点是都不能完全消除自然对流;浓度比拟法理论上可以完全消除自然对流,但约束条件多,工程实现困难。     

微重力下两相控温型储液器内气液界面仿真分析

两相控温型储液器对机械泵驱动两相流体回路的稳定运行起到关键作用,而储液器内部气液分布状态是其控温性能的决定性因素之一。在轨微重力条件下,储液器内两相流动特性与地面状态差别巨大,这将给储液器的设计带来较大难度。针对两相控温型储液器在轨微重力下的两相工质分布特性,通过计算流体力学（CFD）方法对其内两相流动行为进行数值模拟。通过使用连续表面张力模型计算表面张力,使用多相流计算的流体体积分数方法对两相控温型储液器内气液界面形态的发展进行了追踪预测,并与理论解进行对比,结果吻合一致。通过对两相控温型储液器在不同Bond数、接触角、工质充灌量等参数下的仿真分析,得到了不同条件下储液器内气液运动及分布情况,结果表明:两相控温型储液器内气液界面状态与储液器尺寸、壁面浸润性、工质充灌量相关。研究结果可以为微重力下两相控温型储液器内气液界面的控制提供理论依据,并能指导储液器研制及在轨应用。      

浮力效应对射流扩散火焰转捩特性影响的实验研究

对不同空气伴流速度下丙烷层流射流火焰向湍流火焰的转捩过程进行实验观测，分析伴流对火焰转捩行为及稳定性的影响.相对于静止环境中的射流火焰，较大速度的伴流可以减小浮力效应对射流扩散火焰转捩过程的影响，使火焰发生转捩的临界Reynolds数（Re_cr）增大，即火焰推迟转捩.但当伴流速度较小时，Re_cr保持不变，转捩过程中的射流火焰发生周期性振荡，振荡幅度随着伴流速度的增大而减小，继续增大伴流速度，火焰振荡的周期性最终消失，转而呈现随机性.实验还发现，喷嘴直径较大的扩散火焰的Re_cr更大.考虑到火焰对燃料射流局部流动状态的影响，对此现象进行了解释.      

Physical parameters affecting living cells in space

The question is posed: Why does a living cell react to the absence of gravity? What sensors may it have? Does it note pressure, sedimentation, convection, or other parameters?

If somewhere in a liquid volume sodium ions are replaced by potassium ions, the density of the liquid changes locally: the heavier regions sink, the lighter regions rise. This may contribute to species transport, to the metabolism. Under microgravity this mechanism is strongly reduced. On the other hand, other reasons for convection like thermal and solutal interface convection are left. Do they affect species transport?

Another important effect of gravity is the hydrostatic pressure. On the macroscopic side, the pressure between our head and feet changes by 0.35 atmospheres. On the microscopic level the hydrostatic pressure on the upper half of a cell membrane is lower than on the lower half. This, by affecting the ion transport through the membrane, may change the surrounding electric potential. It has been suggested to be one of the reasons for graviperception.

Following the discussion of these and other effects possibly important in life sciences in space, an order of magnitude analysis of the residual accelerations tolerable during experiments in materials sciences is outlined. In the field of life sciences only rough estimates are available at present.     

Possible actions of gravity on the cellular machinery.

Since the first flight of the ESA Biorack on the German Spacelab Mission D1 in 1985 evidence has been obtained that biological cells and small unicellular organisms function differently under conditions of microgravity. However, there is still lack of scientific proof that these effects are caused by a direct influence on the cells in the weightlessness condition. The question how normal gravity may play a role in cellular activity is being addressed and the results show that gravity may provide important signals during certain state transitions in the cell. These would be gravity-sensitive windows in the biological process. Also, by amplification mechanisms inside the cell, the cell may assume a state that is typical for normal gravity conditions and would change in microgravity. Experimental tools are discussed that would provide the conditions to obtain evidence for direct action of gravity and for the possible existence of gravity-sensitive windows.     

地面模拟静止微重力环境中导线先期着火特性研究

针对在微重力环境中运行的载人航天飞行器上的电缆和导线在工作时由于电流过载导致温度升高而引起着火的情况,提出了"功能模拟"实验原理,并且利用地面实验设备对微重力环境下导线的着火前期特性进行了功能模拟实验研究.通过实验,得到了在微重力情况下由于浮升力的减小使自然对流减弱导致电流过载时导线的热平衡温度高于地面正常重力情况,从而证明了这正是引起航天飞行器着火的潜在点火源.      

空间引力红移实验的原理与精度

通过对文献[4, 5]关于空间引力红移实验原理与精度的分析,根据爱因斯坦惯性力与引力等效的原理,提出在航天器内部,重力的大部分被惯性力抵消,因而其中的微重力比轨道重力小很多(失重).因此,应当把星载原子钟的重力势取为与微重力相当的有效重力势,而不能简单地将星载钟的重力势取为轨道重力势.另外,检验相对论红移需要将理论值与实验值进行对比,这两种数值均具有误差,而检验精度取决于误差较大者.因此,如果不提高地球重力模型(例如EGM2008)精度而只提高测量精度则不能提高检验精度.     

微重力下胶原蛋白纤维化及羟基磷灰石结晶的初步研究

在长期空间飞行过程中, 骨质丢失是一个严重问题. 羟基磷灰石(HAP)晶体是骨骼的主要成分, 骨骼中的胶原蛋白纤维在HAP生长结晶过程中起到关键作用. 研究了胶原蛋白纤维化过程在模拟微重力和常重力条件下的变化, 对以胶原 蛋白纤维作为模板生长出的HAP晶体形貌进行了观察. 结果表明, 不同浓度胶原蛋白溶液中形成的胶原蛋白纤维, 其内部孔隙数量和尺寸在模拟微重力条件下要明显大于常重力条件下, 胶原蛋白纤维内部孔隙的分布也不同于常重力条 件下的结果. 以模拟微重力条件下形成的胶原蛋白纤维为模板生长出的HAP 晶体主要为立方体状, 而以常重力条件下形成的胶原蛋白纤维为模板生长出的 HAP晶体形貌主要为板状. 该结果有助于未来进一步阐明空间骨质丢失的机理.      

An in-situ technique for the determination of electrotransport in liquid metallic alloys

In this paper we will describe an experimental equipment, for in-situ measurements of electrotransport in liquid metals.Electrotransport in liquid metals are always to some extent disturbed by convection on ground but the origin of this convection is not definitely known. We also describe a procedure that can be used to find out if the convection is gravity driven or not.     

空间微重力条件下偏晶合金的研究

利用我国首次卫星搭载,进行了偏晶合金Zn—Pb、Al—Pb 的空间微重力下的重熔试验,研究了低于临界温度下Al—Pb 合金重熔过程中的物理规律;在临界温度之上重熔了Zn—Pb 合金,发现了Marangoni 对流对合金凝固过程的影响;在液态烧结条件下制备了均匀的粉末Zn—Pb 合金。在微重力下的研究表明:空间微重力条件对消除由于重力引起的宏观偏折和自然对流十分重要,但在重力消失后,非重力的其它因素的影响又显得格外重要。     

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.     

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.