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.      

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.      

重力对单气泡生长特性的影响

采用VOF (Volume of Fluid)多相流模型, 通过用户自定义函数UDF (User Defined Function)实现相变过程中质量和能量的输运, 对微重力条件下尺寸为10mm × 10mm × 25mm的矩形通道的池沸腾现象进行数值模拟, 得到了微重力及常重力作用下单个气泡生长特性的差异. 模拟结果表明, 微重力条件下气泡周围的流线与温度场的分布有显著差异; 由于表面张力作用, 微重力下的气泡脱离特性与常重力下不同; 在微重力条件下, 气泡直径的变化比较复杂, 并与重力加速度的大小有关; Marangoni流对微重力下的流动影响很大, 使换热系数波动, 而且波动的幅度随重力加速度的减小而增大.      

微重力流体科学空间实验的分析和设想

本文通过回顾国外微重力空间实验的发展,着重分析研究发展趋向及微重力流体科学在空间材料科学中的地位。基于我们理论和地面实验工作基础,提出对微重力流体科学空间实验的一些设想。最后,我们着重说明为什么把Marangoni对流和液体桥的稳定作为近期重点跟踪课题。     

过冷核态池沸腾中的Marangoni效应

分析了过冷核态池沸腾过程中气泡横向运动现象,指出其成因在于相邻气泡界面温度差引起的Mara-ngoni对流对周围液体的吸引.通过对该流动的尺度分析,得到了气泡横向运动特征速度及其可观测度的估算公式,其预测结果与实验观测相一致.特别是对极细小的初始核化气泡,该公式预测了强烈的横向Marangoni对流会导致气泡顶端微射流的形成.该效应在加热面水平向下或微重力沸腾等气泡脱落频率较低的情形中尤为重要.      

国内外航天动态

正国内动态17国9个项目入选中国空间站首批科学实验6月12日,中国载人航天工程办公室与联合国外空司在奥地利维也纳举办的联合国外空委第62届会议期间,共同组织召开发布会,宣布了联合国/中国围绕中国空间站开展空间科学实验的第一批项目入选结果,共有来自17个国家、23个实体的9个项目成功入选。这标志着中国空间站国际合作进入新阶段。项目涉及的领域包括空间天文学、微重力流体物理与     

环形浅液池内低Prandtl数流体超临界热毛细对流演化

为研究低Prandtl数（Pr）流体热毛细对流演化过程，对环形浅液池内Pr=0.011的流体热毛细对流进行三维数值模拟.研究发现:当Marangoni数较小时，流动为轴对称稳态流动；当Marangoni数超过某一临界值后，流动失稳并转变为热流体波，其波数随Marangoni数增加而减小，而波动主频增大；随着Marangoni数增加，流动加强，沿周向运动的热流体波演变为沿径向运动的径向波，其波数大大减小；当Marangoni数继续增加时，波动频谱曲线噪声增加，呈广谱特性.因此，在计算范围内热毛细对流的演化过程为:轴对称稳态流动-热流体波-单周期径向波-多周期三维振荡流动.      

空间在轨流体输运双槽道微重力实验装置

空间在轨流体输运双槽道微重力实验装置通过在微重力环境下对开口槽道中的流动进行观察,可以分析研究微重力下流体输运的稳定特性.双槽道形式的实验装置在单次实验中可同时对两种不同截面,不同流量的槽道流动进行观测,同时可有效提升落塔实验效率,减少不同槽道对比实验中的不确定因素.针对双槽道流体实验装置设计的关键问题,例如密封、压力补偿、设备布局等,提出了实验装置的系统结构及落塔实验步骤.在落塔短时微重力环境中,采用氟化液（HFE7500）流体介质,利用本实验装置成功观测到槽道流体输运流动与失稳现象.      

第五届中-日微重力科学研讨会召开

由中国空间科学学会微重力科学与应用研究专业委员会和日本微重力科学与应用学会联合主办的第五届中日微重力科学讨论会于2002年9月3至6日在甘肃省敦煌市举行.中方和日方各有40余名代表参加了会议.会上双方各有3篇邀请报告,两个分会场的报告共64篇（双方各32篇）.其中微重力流体物理和燃烧研究方面的报告24篇,微重力材料科学和热物理性质研究方面报告23篇,生命科学和生物技术研究报告10篇,实验技术和设备研究报告6篇,微重力科学培训和技术方面1篇.除了报告近年来中日双方在微重力科学领域取得的新研究结果之外,中方报告了今年3月末4月初在“神舟3号”飞船上所进行的微重力科学实验的一些初步结果.日方报告了准备2005年升空的国际空间站日本     

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.      

单相流体回路工质的试验研究

介绍了单相流体回路设计中流体工质的基本性能参数与选择标准,还介绍了流体回路试验平台;比较了"神舟"飞船流体工质和混合物Secool-3工质的物理特性参数,并进行了室温工况和低温工况试验,试验结果表明Secool-3工质应用于单相流体回路具有较好的系统性能。     

Capillary movement of liquid in granular beds in microgravity.

A more complete understanding of the dynamics of capillary flow through an unsaturated porous medium would be useful for the development of an effective water and nutrient delivery system for the growth of plants in space. An experiment was conducted on the Mir Space Station that used an experimental cuvette called "Capillary Test Bed" to compare fluid migration under terrestrial laboratory conditions by positioning the cuvette such that the hydrostatic force is negated and on Mir under microgravity conditions. Differences in fluid migration in the cuvette were observed with migration being slower in microgravity compared with some ground control experiments.     

侧风对拍动翅气动力的影响

昆虫在自然界中飞行时多会受到侧风的干扰,因此了解侧风作用下昆虫拍动翅上气动力的变化对昆虫飞行机理的研究工作具有重要意义。应用计算流体力学(CFD)方法模拟了存在侧风时拍动翅上绕流,并与正常悬停情况进行对比,从侧风的方向和强度2个方面考察了其对拍动翅气动特性的影响。结果表明:侧风对拍动翅气动特性的改变包含2个流动机制的贡献,即相对速度效应和前缘涡轴向速度效应,且从翅尖吹向翅根的侧风与从翅根吹向翅尖的侧风对气动力的影响有着显著的不同;而不同强度的同向侧风下,气动力的改变类似,仅存在数值上的差异。     

侧向微重力环境下板式表面张力贮箱内推进剂晃动行为分析

侧向微重力是航天器在轨飞行时在东西位置保持和南北位置保持状态时所处的加速度环境.由于航天器贮箱内推进剂在侧向加速度环境下的重定位过程易产生晃动,因此侧向加速度环境对贮箱内推进剂管理装置(PMD)的管理能力的要求更高.为确保板式贮箱对推进剂的在轨管理能力,需要开展一系列的数值仿真与试验对PMD的管理能力进行验证.本文以板...     

超高频脉冲电弧焊接熔池金属流动行为

熔池金属流动一方面受电弧行为影响,另一方面与凝固组织形核、结晶过程联系紧密,是电弧焊接基础研究的关键,针对电弧力作用研究了超高频脉冲电弧焊接(UHFP-AW,Ultra High Frequency Pulsed Arc Welding)熔池金属流动特点,采用理论研究与试验分析相结合的方式对熔池流动方式、强度、温度分布等要素进行了分析,并完成了液态金属表面运动特征监测.结果表明,超高频脉冲电弧对熔池液态金属的热、力作用显著,表面流体流速大于30cm/s,UHFP-AW电弧力造成熔池表面沉降变形,引起双环流,熔池温度扩散范围相应减小,有效降低了电弧热量对母材金属的影响,尤其在钛合金焊接中对控制焊缝晶粒尺寸具有重要意义.      

电火花穿孔加工中管状电极振动幅值特性

在采用管状电极高压冲液的电火花穿孔加工中,较大幅值的电极随机振动将导致加工中侧壁短路和二次放电,这对穿孔加工精度和效率造成不利影响。本文以高压冲液管状电极为研究对象,采用仿真、实验验证及对比分析的方法研究了电极微观振动幅值特性。基于ANSYS有限元软件平台,建立了描述电极振动特性的有限元模型,通过数值模拟分析了冲液压力、导向器间隙、穿孔深度、放电间隙、主轴转速、电极悬长多因素对电极振动幅值的影响,分析了多因素耦合情况下各因素对电极振动幅值的影响程度,并进一步进行了实验验证。研究表明导向器间隙、穿孔深度、冲液压力与电极振动幅值成正相关性,减小导向器间隙由10 μm至1 μm,可有效降低孔径误差20 μm。多因素耦合分析得到电极振动幅值影响因素主次顺序为:穿孔深度、冲液压力、放电间隙、主轴转速、电极悬长。此项研究为优化电火花穿孔加工工艺与主轴设计提供依据。      

Progress on Microgravity Sciences in China

The main progress of the research activities on microgravity fluid physics, combustion, biotechnology research and fundamental Physics in China are briefly summarized in the present paper. The major space missions and experimental results obtained on board the Chinese recoverable/nonrecoverable satellites and the Chinese manned spaceship named "Shen Zhou" are presented summarily. The recent main activities of the ground-based studies in China are introduced in brief.