孤立气泡生长过程的短时微重力落塔实验研究

利用中国科学院国家微重力实验室北京落塔提供的3.6s微重力时间开展了短时微重力条件下的池沸腾实验研究, 分析了微重力条件下孤立的单个气泡生长过程特征. 实验中采用掺杂磷的N型光滑硅片作为加热面(加热片尺寸10mm×10mm×0.5mm), 以含气率0.0046 (气液摩尔分数比)的FC-72作为工质, 利用恒流源对加热片通电加热. 通过对实验观测到的单个气泡生长图像及相应传热数据分析可知, 经典传热机制控制的气泡生长模型可以描述其早期特征. 相关模型中经验参数的拟合结果在文献报道的数值范围内, 表明重力对气泡生长早期影响较小, 但较大的气泡尺寸可以提供更准确的数值结果.      

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.      

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.      

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.      

微重力量值对气液两相流相分布及液相湍流统计量影响的数值研究

气液两相流在空间领域具有广阔的应用前景, 深入理解微重力量值(微重力大小)对相分布和液相湍流的影响十分必要. 采用欧拉elax-elax拉格朗日双向耦合模型深入研究了不同微重力量值对相分布和液相湍流的影响. 液相速度场通过直接数值模拟求解, 气泡的运动轨迹由牛顿运动方程跟踪. 研究表明, 气泡分布和液相湍流与微重力量值均具有直接联系. 在低微重力量值下, 气泡近似均匀分布在槽道内, 且对液相湍流统计量几乎没有影响; 然而当微重力量值较高时, 大量气泡聚集在壁面附近, 液相湍流由于气泡的注入受到极大调制.      

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。      

不同重力条件下单气泡池沸腾现象的数值研究

对不同重力条件下常压饱和水中单气泡池沸腾现象的气泡生长过程及传热特性进行了数值模拟. 采用简化的润滑流模型计算生长气泡底部微液膜的贡献, 而其他宏观区域的气液两相介质则用连续界面模型统一处理. 气液界面形状和加热面上接触线的运动分别采用Level Set方法和固定的表观接触角来近似刻画. 计算结果表明, 气泡生长过程中, 当量直径近似与生长时间的1/3～1/2次方成正比, 重力对相关趋势的影响不大, 但强烈影响着气泡脱落直径和生长时间, 其中脱落直径反比于重力的1/3次方, 生长时间反比于重力的4/5次方. 在固定的核化点数密度条件下, 加热面平均热流密度近似与壁面过热度的3/2次方成正比, 该趋势并不随重力的减弱而改变.      

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.     

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.      

基于流动沸腾气泡脱落行为的重力无关性分析

在流动沸腾现象中，气液两相密度差异导致重力对流动和传热性能产生很大影响，因此重力效应研究对于流动沸腾的航天应用具有重要意义.在对Bower-Klausner-Sathyanarayan重力无关准则（BKS准则）分析的基础上，提出其判据存在理论缺陷，不能正确反映重力效应.采用与BKS准则相同的气泡脱落模型，但忽略气泡沿加热管壁的滑动效应，重新计算常重力条件下不同流动方向起始沸腾阶段单气泡的脱落尺寸，归纳得到一个新的基于Fr（Froude数）的重力无关准则.该准则与实验结果符合更好，且与主导作用力准则基本相符.      

微重力池沸腾中的气泡和传热行为数值模拟

基于标准动量传输方程、连续性方程以及能量方程,建立了单个气泡的二维数值模型,考察了微重力过冷核态池内沸腾中的气泡动力学和传热行为.在动量传输方程中耦合了表面张力和Marangoni力,连续性方程和能量方程中耦合了相变效应,考虑了加热面上过热液体层的影响,并引入相场函数捕捉气液界面的动态变化.结果表明:气泡在生长过程中,形状由最初的半球形变为椭球形,最后变为脱附时的梨形;气泡在加热面上自由迁移,呈非轴对称结构,并且气泡上部的温度场呈现为蘑菇云状;气泡的脱附直径正比于g-0.488,脱附周期正比于g-1.113,加热面上的平均热通量正比于g0.229.      

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.      

返回式卫星上的微重力水平估算

导出了近地卫星上任意部位微重力水平的表达式,分析和近似估算了利用我国返回式卫星进行首次空间材料加工试验时的微重力水平,表明是在按轨道周期变化的优于1×10~(-5)g_0的准稳态加速度上,迭加了幅度不超过2×10~(-4)g_0的随机加速度脉冲干扰。我国在1987年8月5日发射的返回式卫星上,首次搭载了一台空间晶体生长炉,在空间微重力条件下进行了以砷化镓为主的十项材料加工试验。为了对所得结果进行科学的分析,就必须知道晶体生长期间的微重力水平。本文结合卫星的实际运行参数给予了估算。     

微重力池沸腾中的气泡行为实验研究

采用图像分析方法,对实践十号返回式科学实验卫星沸腾气泡实验项目获得的微重力单气泡过冷沸腾实验图像进行研究,提取并分析了微重力条件下单个气泡的生长过程.实验中观察到气泡激发形成、稳定黏附生长和滑移三个阶段,其中气泡稳定黏附生长又可分为底部扩张与回退两个子阶段.在气泡稳定黏附生长的底部扩张子阶段,气泡半径可以表示为时间的指数函数,时间指数从初期小气泡时的0.42减小到中期的0.28,最终趋于0.气泡尺寸在气泡底部收缩之初略有回调,随后再次缓慢增大,直到过冷液体完全侵入气泡底部,使气泡与加热面脱离,并在外界扰动作用下在加热面上滑移.相关数据可以作为沸腾现象中气泡热动力学分析的依据.      

池沸腾现象中热毛细对流的成因

针对微重力条件下单组份液体池沸腾现象,探讨了有关热毛细效应作用及其成因的不同观点,指出正确描述气液相变界面两侧的温度关系是解决争议的关键.详细评述了现有的气液相变界面温度模型,发现气液相变的非平衡特征会导致气液界面上产生温度梯度,引起表面张力的显著差异,从而驱动热毛细对流的形成.但现有气液相变界面温度模型机理差异迥然,预测结果也差别很大,因此,需要更深入研究.      

微重力环境下植物培养箱设计

基于空间微重力下植物的生物学效应及其微重力信号转导研究需要,在微重力条件下培养拟南芥,获得经微重力条件生长的拟南芥样品.在空间实验过程中实时采集、存储和传输植物样品的数字图像,并根据生物样品的生长周期对生物样品进行低温固定和储存,再由返回式卫星带回地面,开展微重力植物生物学效应研究.      

Water movement on the convex surfaces of porous media under microgravity

A plant growth system for crop production under microgravity is part of a life supporting system designed for long-duration space missions. A plant growth in soil in space requires the understanding of water movement in soil void spaces under microgravity. Under 1G-force condition, on earth, water movement in porous media is driven by gradients of matric and gravitational potentials. Under microgravity condition, water movement in porous media is supposed to be driven only by a matric potential gradient, but it is still not well understood. We hypothesized that under microgravity water in void spaces of porous media hardly moved comparing in void spaces without obstacles because the concave surfaces of the porous media hindered water movement. The objective of this study was to investigate water movement on the convex surfaces of porous media under microgravity. We conducted parabolic flight experiments that provided 20–25?s of microgravity at the top of a parabolic flight. We observed water movement in void spaces in soil-like porous media made by glass beads and glass spheres (round-bottomed glass flasks) in the different conditions of water injection under microgravity. Without water injection, water did not move much in neither glass beads nor glass spheres. When water was injected during microgravity, water accumulated in contacts between the particles, and the water made thick fluid films on the particles surface. When the water injection was stopped under microgravity, water was held in the contacts between the particles. This study showed that water did not move upward in the void spaces with or without the water injection. In addition, our results suggested that the difficulty of water movement on the convex (i.e. particle surfaces) might result in slower water move in porous media under microgravity than at 1G-force.