微重力燃烧实验火焰结构显示和全场温度测量的原理样机

用于空间燃烧实验的设备要求轻重量、小尺寸和多功能. 将纹影法、彩虹纹影偏折法与差分干涉法相结合, 研制了可用于火焰结构显示和全场温度测量的原理样机. 该原理样机具有重量轻、尺寸小、模块化和多功能等特点. 通过微重力落塔实验, 检验了利用纹影法测量火焰结构的功能, 同时在常重力条件下检验了利用彩虹纹影偏折法和差分干涉法测量火焰全场温度的功能. 结果表明, 火焰结构分辨率不低于1mm, 火焰温度测量结果精确, 相对误差小于2%. 该原理样机将提升空间燃烧的观察方法, 有助于未来空间燃烧实验的开展.     

本生灯层流预混火焰稳定点与熄火机理

采用速度匹配法结合壁面淬熄分析甲烷本生灯层流预混火焰稳定点与熄火机理,得到了贫油与富油状态下火焰稳定点不同的移动规律,定量预测了火焰吹熄特性关系,并通过实验验证.火焰稳定点在本生灯出口附近的边界层中,该处的火焰传播速度与预混气来流速度相平衡;而在边界层中,以火焰稳定点为起点,存在一个可点火区域.随着来流预混气流速的增大或者当量比远离恰当比,这一可点火区域逐渐缩小,直至成为一个点,此时即为熄火的临界状态.通过比较近壁面的当地气流速度与火焰传播速度,并采用非耦合的方法分析壁面淬熄的影响,得到了火焰稳定点的移动规律.在径向上,火焰稳定点随来流速度增大向射流中心线方向移动;在轴向上,随流速增大,贫油工况下稳定点向下游移动,富油工况时则向上游移动.根据火焰稳定点移动规律结合可点火区域分析定量预测了吹熄特性,通过了实验验证,证明了火焰的熄火机理.     

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.     

微重力条件下泡沫复合相变材料蓄热装置数值仿真

相变材料由于相变过程中吸收或者释放大量能量且过程近似等温这一特性而有巨大的应用潜力,将相变材料蓄热装置应用于航天器是维持航天器内各个单元工作温度的一种有效方法.提出一种基于正二十烷的相变蓄热结构方案,分别填充泡沫铜与泡沫碳作为基体材料来强化相变材料的传热性能.通过对该模型进行数值仿真计算,得到相变蓄热装置温度、固液相界面位置随时间的变化等有效数据,分析泡沫相变蓄热材料在微重力条件下相变界面的演变过程.结果显示,得益于其较高的导热系数,泡沫复合相变材料可将热源热量有效分散到其他区域,减缓热源面温度上升速度,并且降低重力变化对传热的影响.所得数据结果为泡沫复合相变材料的工程应用提供了科学依据.     

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。      

表面介质阻挡放电对扩散火焰燃烧特性的影响

针对表面介质阻挡放电（SDBD）在激发等离子体时具有显著的气动效应和化学活化效应,为分析表面介质阻挡放电对空气/甲烷同轴剪切扩散燃烧的助燃效果,实验使用高频交流电源,基于等离子体诱导射流逆向激励对火焰施加控制。根据获取的射流流场纹影图像、火焰图像和CH*自发辐射,研究了等离子体对不同燃烧条件下火焰燃烧特性的影响。结果表明:受等离子体气动激励作用,火焰上游细长剪切层的空气/甲烷掺混得到增强,从而扩大了剪切层燃烧宽度,同时燃烧释热速率会明显提高,这主要与等离子体活化效应有关,并且该效应显著增强了位于喷嘴出口火焰基的燃烧强度。在空气流量较低时,等离子体气动激励可有效增大火焰下游湍流度和射流角,使火焰高度降低、宽度增大,且作用效果随放电电压提高逐渐增强。      

条件矩封闭模型应用于非预混湍流反应流动

推导了考虑分子和湍流扩散的条件矩封闭方程,并利用其模拟了二维非预混湍流反应流,计算结果与实验结果符合良好.结果表明,有限值的Damkohler数使条件平均变量偏离其平衡状态,且在混合分数η位于化学恰当比下的混合分数附近时偏离最大.Damkohler数的升高还使得条件和无条件平均的反应速率升高,并使条件平均变量向其平衡状态值趋近.本文还观察到以往的简化维数处理会引起一定的偏差.因此,对于一般的椭圆型反应流动,建议采用考虑扩散效应的CMC控制方程.      

Hydrothermal instability of thermocapillary convection in large-Prandtl-number liquid bridges under microgravity

Linear stability analysis was performed to study the mechanism of transition of thermocapillary convection in liquid bridges with liquid volume ratios ranging from 0.4 to 1.2, aspect ratio of 0.75 and Prandtl number of 100. 2-D governing equations were solved to obtain the steady axi-symmetric basic flow and temperature distributions. 3-D perturbation equations were discretized at the collocation grid points using the Chebyshev-collocation method. Eigenvalues and eigenfunctions were obtained by using the Q–R method.The predicted critical Marangoni numbers and critical frequencies were compared with data from space experiments. The disturbance of the temperature distribution on the free surface causes the onset of oscillatory convection. It is shown that the origin of instability is related to the hydrothermal origin for convections in large-Prandtl-number liquid bridges.     

Stability of liquid bridges subject to an eccentric rotation

A cylindrical liquid bridge supported between two circular-shaped disks in isorotation is considered. The effect of an offset between the rotation axis and the axis of the two supporting disks (eccentricity) on the stability of the static liquid bridge is investigated. A numerical method is used to find stable and unstable shapes and to determine the stability limit for different values of eccentricity. The calculated stability limits are compared with analytical results, recovering the same behavior. Numerical results have been also compared with the results of an experiment aboard TEXUS-23, recovering the stability limit and the equilibrium shapes.     

Experimental and numerical analysis of non-symmetric breakage of liquid columns in an axial gravitational field rotating around an eccentric axis

An experiment in microgravity conditions aboard the TEXUS-23 mission was performed to obtain the deformation up to breakage of a cylindrical liquid column in isorotation around an eccentric axis. In previous work, breakage rotation speed was predicted by a numerical method. This method was validated by comparison with analytical and experimental results. The non-symmetric breakage of the liquid column observed in the experiment, however, was not explained by the combined effect of rotation and eccentricity.     

用国产装置进行的空间蛋白质结晶实验

使用国内研制的管式汽相扩散结晶装置,在我国返回式卫星上,成功地完成了两次空间蛋白质晶体生长实验,10种不同种类的蛋白质配制的48个样品在空间的出晶率分别达52%和80%,其中少数蛋白质生长出了较高质量的蛋白质晶体。结果表明,空间的微重力环境利于改善蛋白质晶体的生长,而且在结晶条件优化足够好的条件下,在空间里能生长出比地面晶体尺寸较大、形态较好和内部有序性较高的蛋白质晶体。本文还就微重力对蛋白质晶体生长的具体作用及其开发利用做了讨论。     

落弹舱的微重力环境

本文首先建立了分析落弹舱运动的各种坐标系,给出了解算姿态运动参数的数学模型.然后根据落弹舱微重力加速度的物理背景,对其微重力环境进行了数学描述和物理解释,推导了舱内任意部位微重力加速度表达式,阐明影响微重力环境的主要因素是气动阻力和姿态角运动.最后分析和近似估算了落弹舱的微重力水平,给出了气动阻力对落弹舱微重力水平影响的数值计算结果:平流层气球在30km以上释放落弹舱,优于5×10^-2g的微重力持续时间超过30秒.     

Progress in Research on Materials Under Microgravity in China

Research on materials under microgravity in China began in the 1980s, sparked by Prof. Lanying Lin (academician of CAS), Prof. Xiji Wang (academician of CAS), Prof. Guirong Min (academician of CAS), and Prof. Huabao Lin (academician of CAS), and others. The first semiconductor crystal, first optical crystal, and first alloys were grown in space on board a recoverable satellite in 1987. Since then, microgravity materials science became a new scientific branch in China.Scientific and technical activities on space crystal growth and solidification are carried out through two major programs: ground-based studies and orbital experiments. The main results obtained during 2001-2003 are reported below.     

微重力条件下红外材料的空间生长

根据近年红外材料在空间生长的研究概况,分析了涵盖熔体、气相、液相外延和分子束外延等生长方法及各个方法生长红外材料的基本原理,在地面生长遇到的问题,以及在空间微重力环境中进行红外材料生长的优势.同时基于中国利用熔体法在天宫二号上已经进行的ZnTe：Cu晶体的空间生长科学实验及地基实验结果,通过对空间和地面实验结果进行对比,提出了在超高真空环境下,利用分子束外延方式生长高性能、大尺寸红外材料的可能性,以及未来在空间微重力条件下进行红外材料生长的研究方向及具体应用.     

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.