A1CuMgZn单晶合金的空间凝固

重力对合金凝固过程与缺陷形成具有重要影响.在常规地面条件下难以清晰揭示凝固过程中的重力效应及其作用规律,而在微重力环境中重力对熔体的作用以及对凝固过程的影响大大降低.利用天宫二号空间实验并结合地面对比实验,研究AlCuMgZn单晶合金在微重力和重力环境下枝晶生长形貌和特征参数差异以及成分偏析和缺陷形成的异同,揭示重力对枝晶生长过程和成分偏析等现象的影响及其在凝固缺陷形成中的作用.     

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.      

大鼠后肢去负荷体位调节装置设计与实验研究

通过对大鼠尾吊模型进行改进，研制出一种新型可调节体位的大鼠后肢去负荷悬吊装置，研究模拟微重力效应下体液分布变化对大鼠骨代谢的影响.将36只SD大鼠均分为对照组（CON）、头低位后肢去负荷组（HDT）、水平位后肢去负荷组（HH）和头高位后肢去负荷组（HUT）4组，实验21天后，利用DXA检测大鼠的骨密度（BMD）.模拟微重力效应下的三组大鼠后肢均发生严重骨丢失，其中HH和HUT组后肢BMD显著大于HDT组.实验结果表明，体液分布变化可能在模拟微重力效应导致的骨丢失中起到重要作用，新型大鼠后肢去负荷悬吊装置能够调节大鼠体位（体液）进行模拟微重力效应研究.      

微重力环境中哺乳动物细胞分子生物学效应研究进展

随着载人航天事业的不断发展,空间失重环境引起的航天员健康问题（心血管疾病、免疫抑制、肌肉萎缩、骨质疏松等）日益突出,这已成为人类探索空间的一大阻碍.越来越多的研究关注到微重力条件下机体及细胞的变化.近期的研究表明,在细胞水平上,微重力会引起细胞降解,改变细胞骨架,并造成细胞在分子水平（如细胞增殖、分化、迁移、粘附、信号转导等过程）的一系列改变.本文对微重力条件下免疫细胞、内皮细胞、骨细胞、癌细胞的相关研究进行了归纳总结,研究结果可为微重力条件下机体及相关细胞的研究提供指导,为治疗或缓解微重力条件造成的疾病提供方法和思路.      

液态金属镓微重力下的融化传热特性

相变蓄热适用于周期性热流作用下航天器内部工作单元的温度控制,但是需解决微重力环境下相变材料融化速率低的问题.鉴于液态金属高导热系数和高单位体积潜热的特点,在微重力下将液态金属作为相变材料有望提高融化速率.通过对微重力下液态金属镓融化过程的相界面演化、流线和温度分布特征进行数值研究,分析了腔体尺寸和过热度对融化过程的影响.结果表明:微重力下镓的融化过程中,热传导起主导作用;镓的融化时间比冰和正十八烷分别减少了88.3%和96.4%,储热量分别为冰和正十八烷的1.2倍和2.2倍;融化时间随过热度增加而减小,随腔体半径增大而增大.此外推导出了液相分数随无量纲时间变化的关系.      

空间站微重力流体实验设备需求分析

对国际空间站和中国科学实验卫星及载人飞行器上开展的微重力流体实验情况进行论述和分析,重点分析了国际空间站（ISS）微重力流体科学实验设备情况.根据中国空间微重力流体物理科学发展需求,结合国际空间站微重力流体科学实验对设备的需求,提出了未来在中国空间站开展微重力流体实验时空间实验设备需要重点考虑和解决的问题,同时提出相关设计建议.      

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。     

微重力下相变储能单元融化过程数值模拟

为探究微重力环境中,通过肋片强化了传热的相变储能单元中相变材料融化过程,通过数值模拟方法探究了微重力作用时相变材料融化过程中传热特性。通过地面实验与重力作用下数值模拟结果对比验证数值模拟方法的准确性,对比重力和微重力作用2种情况下数值模拟结果以揭示微重力环境中相变材料融化过程的特性。结果表明,当相变储能单元受微重力作用时,相变材料融化速率明显下降,热量主要通过热传导传递,融化的相变材料从顶端膨胀溢出向空间扩散,局部低温区域在相变储能单元中上部。      

SJ-10卫星固体材料燃烧实验装置

为对微重力条件下固体材料着火和火焰传播特性进行研究,研制了实践十号（SJ-10）卫星固体材料燃烧实验装置.利用空间高真空条件,采用实验段内气体环境更新和控制技术,实现了在有限实验空间内对多个实验样品进行研究,并提供准确可控的实验环境条件（氧气浓度和气流速度）.通过地面试验验证,该装置可通过实验样品、氧气浓度、气流速度、点火方式等实验参数的灵活组合,实现空间实验机会的充分利用和预定科学目标.      

微重力燃烧研究进展

微重力燃烧是一门非常新的学科,它研究在微重力环境下的基本燃烧过程。本文概括最近几年刚发展起来的以下几方面的进展:微重力燃烧研究所用的设备;固体材料的着火性;预混气燃烧;液滴燃烧;颗粒群燃烧;空间飞行器着火安全性。最后对我国开展微重力燃烧研究提出建议。     

振动表面自然对流强化换热特性

基于振动影响流动换热边界层发展的思路,通过实验方法对振动条件下的自然对流换热特性进行研究.实验采用电铃谐振器作为加热膜的激振源,并利用红外测温技术对表面温度场进行了测量.结果表明:振动对自然对流的强化可提高90.7%.在等热流密度条件下,振动能量越大,换热越好;在等振动能量条件下,热流密度越小,换热越强.研究结果为强化表面自然对流换热提供了一种新思路.      

轴向通流旋转盘腔流动换热稳态实验与数值模拟

通过开展稳态实验及数值模拟探究了轴向通流旋转盘腔的流动结构与换热特性。通过改变流量系数、旋转雷诺数等参数,探究不同工况下旋转盘两侧及盘罩内侧壁面温度和努塞尔数的径向分布规律。结果表明:在轮缘加热的状态下,旋转盘两侧温度径向分布均呈凹函数形态,且旋转盘迎风面换热强度普遍高于背风面;后轴颈盘罩向两端旋转盘导热,其壁面温度径向分布呈"中间高、两侧低"的状态;随着轴向流量系数的增大,盘腔内部气体对流加剧,径向臂及涡对结构更加明显,旋转盘及轴颈表面换热效果增强;旋转盘腔内的流动换热特性受强迫对流和类Rayleigh-Benard对流2种机理的共同影响。      

载人航天器舱内气压下降时的空气强制对流换热

为了在载人航天器的热控制中评估舱内气压下降对空气强制对流换热能力的影响,分析了空气流动参数和物性参数随舱内气压的变化规律,指出了已有的经验关联式中压力和换热系数的关系,并用数值方法进行了验证。分析结果表明空气强制对流的换热能力随舱内气压的下降而下降,当气压低于3.04×104Pa后,空气强制对流对设备散热的贡献已经非常有限。     

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.      

Space Materials Science in China: I. Experiment Studies under Microgravity

The virtual absence of gravity-dependent phenomena in microgravity allows an in-depth understanding of fundamental events that are normally obscured and therefore are difficult to study quantitatively on Earth. Of particular interest is that the low-gravity environment aboard space provides a unique platform to synthesize alloys of semiconductors with homogeneous composition distributions, on both the macroscopic and microscopic scales, due to the much reduced buoyancy-driven convection. On the other hand, the easy realization of detached solidification in microgravity suppresses the formation of defects such as dislocations and twins, and thereby the crystallographic perfection is greatly increased. Moreover, the microgravity condition offers the possibilities to elucidate the liquid/solid interfacial structures, as well as clarify the microstructure evolution path of the metal alloys (or composites) during the solidification process. Motivated by these facts, growths of compound semiconductors and metal alloys were carried out under microgravity by using the drop tube, or on the scientific platforms of Tiangong-2 and SJ-10. The following illustrates the main results.      

Direct observation of processes in a solidifying dispersion

The evolution of a dispersion under the action of temperature gradients and solidification was followed optically in a transparent molten salt (CsCl) with inclusions of Pb-droplets and gas bubbles. This system is believed to model a solidifying metallic alloy. Rejection of Pb-particles by the solidification front was observed, while large gas bubbles were incorporated. Thermocapillary convection at the gas bubbles considerably distorted the temperature field and even caused local remelting. Marangoni migration of bubbles was not observed, contrary to expectations.     

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.     

Solidification and Crystal Growth on the SJ-10 Recoverable Scientific Experiment Satellite

The low-gravity environment aboard the space provides a unique platform for understanding crystal-growth-related phenomena that are masked by gravity on the Earth and for exploring new crystal growth techniques. We have characterized the wetting behavior of metal alloys and carried out melt growth of compound semiconductors under the support of materials science program in the SJ-10 recoverable satellite. We found that interfacial reaction plays a significant role in the interfacial evolution of Sn-based alloys. Detached growth of InAsSb was realized under microgravity, whereas during the terrestrial experiment the crystal and the crucible wall contact with each other. Moreover, the suppression of buoyancy-driven convection results in a more uniform composition distribution in the InGaSb and Bi₂Te₃-based semiconductor alloys.      

电动汽车动力电池生热模型和散热特性

结合Bernardi生热速率模型建立了单体电池正极片集流体、负极片集流体和电池极板的热耦合模型以及成组电池传热模型;利用Fluent软件仿真分析了自然通风环境中LiFePO₄单体电池的生热特性,模拟了强制空气对流冷却条件下成组电池的生热和散热特性,分析了电池箱出风口位置对电池温度的影响;计算了不同放电倍率下电池组温度变化.计算结果表明:动力电池恒流放电末期,正、负极片的电流密度最大值出现在极耳处,正、负极耳温度高于极板温度,且正极耳温度大于负极耳温度;强制冷却条件下成组电池热特性满足安全工作温度要求;电池箱出风口位置直接影响冷却空气速度场和电池组温度场分布,出风口设置在电池箱下部有助于改善其热状态一致性.对特征点温度监控数据与仿真结果的误差小于5%,能够满足工程需要.