微重力效应的物理解释及其应用

讨论了微重力效应及其分子物理学解释，万有引力的单极性决定了它的累积性和宏观性，重力对自由分子的影响是微科其微的，然而在流钵，特别是在液体内部的具体条件下，重力对流体内部分子集团产生明显影响，以宏观的静压强形式表现出来。而当重力变小，变微，流体内部的静压强也就趋于消失，由静压强产生的二级现象，如异相沉降或浮泛。同相的浮泛对流，液体自约束成球形，也就消失，这些就是微重力的一，二级物理效应，本文认为，Bossinesq近似对于流体而言实质上是线性热力学假设或近平衡态假设，可以用初始平衡态的物性参量表征临界点时的无量纳数，提出一种重力消失诱发非平衡态向平衡态蜕变的猜想，从文中导出的瑞利数Rα的表达式可以看出，重力加速度的消失，可以使瑞利数的值从远离平衡态的湍流蜕变到稳定流动的瑞利－贝纳对流胞，甚至是没有宏观流动的平衡态，最后，将本文给出的理论解释模型应用到空间材料加工所需微重力水平的估算、窨材料加工工艺的微重力利用准则和空间装置中气体自然对流传热状态模拟的低真空和微重力的互换性方面。     

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.      

真空同心管套的热分析

真空同心管套涉及传导、辐射等传热方式,其中低压气体的热传导非常复杂,是分析问题的关键。对处于不同隔热措施的真空同心管套内辐射换热和气体导热予以准确的描述,建立了传热模型。并在考虑材料真空放气的情况下,计算了管套的当量导热系数。所用方法和技术可用于空间热物理等领域中类似问题。     

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.      

含内热源的多孔方腔自然对流非正交MRT-LBM模拟

为了增强多孔方腔内流体流动与传热效果,采用非正交多松弛格子Boltzmann方法（MRT-LBM）对含有内热源的多孔方腔自然对流传热现象进行了数值模拟。研究了不同冷源布置方案（Scheme A~Scheme F）、内热源结构形式（Case 1、Case 2、Case 3）、内热源位置（a、b）、Darcy数、Rayleigh数等对多孔方腔内流体流动与传热的影响。计算结果表明:冷源布置方案对腔内流体流动与传热具有重要影响,当冷源左右对称布置时,腔内温度场及流场亦对称分布;在高Rayleigh数下采用Scheme A的双上部冷源布置方案能明显提高腔内的传热强度;内热源的形状对腔内对流传热影响很大,高Rayleigh数下,Case 3的布置方式更好。内热源的位置a和b对腔内的传热影响明显,提出了热壁面平均Nusselt数与位置a的拟合关系式,存在最佳的位置a（a=0.25）,使得腔内的对流传热最强;热壁面平均Nusselt数亦随b值变化表现出特定的变化规律。随着b值的增加,热壁面平均Nusselt数呈现先增后减再增的趋势。      

抽屉式标准机柜地面通风换热性能的研究

通过抽屉式标准机柜通风换热性能的地面实验研究和数值模拟,分析了在侧进上出和下进上出两种方式下,进风流量、风道通风孔宽度及自然对流对机柜地面通风换热性能的影响。结果表明,在一定范围内增加机柜进气流量和减小通风孔尺寸可改善机柜通风换热性能。此外,对于本文所研究两种进出风口布置方式,在相同的参数状态下,机柜在微重力状态下的通风换热性能优于地面状态或者相当,因此,满足标准机柜地面状态换热要求的设计参数也会满足微重力状态的换热要求。     

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。      

气球落舱内试验平台的高微重力水平分析

研究了一种新型高微重力水平气球舱内试验平台的动力特性，考虑了稀薄气体的影响，建立了落舱及平台的动力学方程，通过数值计算获得了平台微重力水平与落舱控制精度、平台与落舱的分离时刻、真空舱内真空度的关系。     

含内热源的多孔方腔流热耦合非正交 MRT-LBM数值模拟

针对含内热源的多孔方腔内自然对流现象问题,采用非正交多弛豫时间（MRT）格子Boltzmann方法进行了研究。分析了Rayleigh数（104 ≤ Ra ≤ 106）、内热源布局方式（水平、垂直及对角布局）、内热源几何尺寸大小（A=1/16,1/8,3/16,1/4）及两内热源间的间距（S=5/64,13/64,21/64）对流动传热的影响。结果表明:在Ra=104,105和S=5/64的情况下,任意内热源几何尺寸,内热源采用对角布局方式可获得更好的对流换热效果;在Ra=105,106和S=13/64,21/64的情况下,水平布局方式更优;在内热源采用水平布局,Ra=104的情况下,任意内热源几何尺寸,对流换热效果均随着内热源间距的增大而增强;而随着Ra增大,内热源几何尺寸减小,对流换热效果随着内热源间距的增大先增大后减小,而后随着内热源间距增大其对流换热效果减弱;对角布局也有相似规律,在其他条件一致的情况下,随着内热源几何尺寸的增加,其对流换热效果增强。      

Numerical study of forced convective heat transfer around a spherical aerostat

Forced convective heat transfer is one of the major factors that dominate the thermal behaviors of aerostats. Due to the large physical size, the convection around an aerostat has high Reynolds numbers. The existing forced convective heat transfer correlations are limited to the Reynolds number lower than 10⁵, which are not appropriate for aerostat applications. Therefore, it is necessary to obtain a convective heat transfer correlation applicable to spherical aerostats at high Reynolds numbers. In this paper, steady convective heat transfer from an isothermal spherical aerostat is numerically investigated. The numerical simulation is carried out by commercial computational fluid dynamic software with the Reynolds number from 20 to 10⁸. The average Nusselt numbers are obtained and compared with those of available in literature. Based on regression and optimization with software, a new piecewise correlation of Nusselt number is proposed. The verification shows that the new correlation is reliable.     

矩形微槽内FC-72的单相流动和换热实验研究

微槽换热器是解决航空电子设备元器件热控制问题的一条有效途径.以新型电子设备冷却液FC-72为工质,利用4种不同结构尺寸的矩形微槽,进行了微槽内单相流动和强迫对流换热性能实验研究;分析了工质流速、过冷度以及微槽结构等对换热性能的影响,给出了适用于层流和紊流的单相流动阻力特性实验关联式和单相强迫对流换热实验关联式,并对实验结果进行了不确定度分析.结果表明,在矩形微槽换热器中,FC-72的单相强迫对流换热能力能够满足中高强度的电子设备散热要求.      

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。     

临近空间环境下封闭方腔内耦合换热特性

以临近空间浮空器载荷舱为应用背景,对复杂热边界条件下含热源的三维封闭方腔内自然对流、表面辐射和导热的耦合问题进行了数值模拟。综合考虑对流换热、长波辐射、太阳辐射等因素的影响,建立了临近空间热环境模型。通过Fluent软件用户自定义函数（UDF）引入外部非定常的辐射-对流耦合热边界条件,对腔内换热特性的昼夜变化进行研究,并分析了腔壁厚度、发射率和导热系数对其的影响。数值结果表明,腔内平均温度昼夜变化很小,约为12.9 K,但温度场分布随太阳方位变化而变化;腔内对流换热较弱,同一时刻最大温差约为71.3 K;腔壁热阻和发射率增加会削弱自然对流的强度。      

微重力场中对流—辐射—传质系统的地面模拟技术

研究了微重力条件下对流－辐射－传质稳态系统的地面相似模拟技术，进一步发 温度－材料综合保护技术。通过采取补偿热流，调整壁面热流密度分布的方法，保持了原型与尺寸适当缩小后的模型的Ｎｕ数，Ｓｈ数，材料，温度，湿度不变，从而实现模型与原型流动，换热和传质相似。     

低温风洞应用与发展探讨

简要讨论了低温风洞提高雷诺数的原理。分析了应用低温风洞进行高雷诺数气动试验、飞行器热喷流模拟及高雷诺数／高格拉晓夫数／高温比对流换热模拟试验的原理和特点,从中可以看到应用低温风洞进行这类试验的突出优点及其对发展航空航天科学的重要意义。重点讨论中国发展低温风洞的可行途径,对低温风洞的一些特殊关键技术,如工作温度选择、制冷系统、绝热系统、风洞模型、试验参数测量等进行了详尽探讨。     

防冰表面的对流换热计算分析

利用动量和热边界层积分分析的方法对采用电热防冰的二维机翼对流换热系数进行了数值计算,比较了等温突捩以及变温光滑两种不同的边界层模型.层流向湍流转捩的起始点位置和过渡区域的长度由经验公式判断,并通过内外热流耦合迭代求解得到了防冰表面的平衡温度,与文献试验值进行了比较.所得结果表明:加入过渡区模型可较好地预测对流换热系数及防冰表面温度.同时,结果还表明环境压力变化对换热系数的的影响较大.