毫米级大光斑熔融月壤粉末床的原位观测研究

由于松散粉末床的导热性很差,直接使用低功率能量束熔融打印时,连续的熔道不易形成。为了提高太阳光聚光熔融月壤打印过程中的能量穿透深度,开展了大尺寸光斑熔化模拟月壤粉末床时,熔池形成过程的原位观测研究。为了模拟太阳光汇聚光斑,将激光的光斑尺寸扩束至数毫米,并直接作用于无基底的厚粉末床表面。基于高速成像技术,原位观测了激光作用过程中的熔滴生长情况。实验发现,部分熔化的表层粉末表现出颗粒间的大规模协同作用,称为“卷吸”过程。在该过程中,粉末床表面依次发生表层卷起、与粉末床分离、融入熔滴,导致了熔滴的不连续生长。基于光斑与粉末床作用的能量守恒关系,分析了熔滴尺寸的生长规律,并与实验结果进行了对比。结果表明,低功率大光斑激光产生的熔滴一般不会超过光斑范围,且功率越高,卷起的粉末层熔化越不完全,此时具有更高的能量利用效率。卷吸机制绕开了低导热性的限制,特别是针对月壤熔融打印技术,使得厚粉末床上直接打印熔道在机制上成为可能。

基于格子玻尔兹曼方法的低We数液滴铺展凝固模拟研究

为了研究3D喷墨打印中液滴在壁面的铺展、凝固现象与机理,基于格子玻尔兹曼方法(Lattice Boltzmann method,LBM),建立了三维多组分相变模型,模拟计算了单液滴在低We数条件下与低温基板碰撞后的演变过程。在模拟过程中考虑了壁温、壁面润湿性等因素对于液滴的铺展、凝固的影响。模拟结果表明,在非润湿性壁面,液滴铺展产生震荡阻尼现象,通过改变壁温控制液滴凝固速度可以达到阻碍或者促进液滴铺展;而在润湿性壁面,凝固会阻碍液滴铺展,液滴最终铺展因子随接触角减小而降低,并且与壁温成正比关系。此外,壁温在低于一定范围后才会对液滴形貌(铺展因子、接触角)造成明显影响。

梯形横截面微通道内的水蒸气凝结压降实验及其模型修正

通过梯形微通道内水的单相流动摩擦压降和水蒸气凝结压降实验,分析水蒸气冷凝过程及压力和温度等参数对其水蒸气凝结压降的影响,根据实验数据修正Lockhart-Martinelli的两相流压降模型,提出了新的实验关联式,并将实验结果与现有微通道和常规通道的压降关联式进行比较.结果表明:单相层流摩擦因数随Re的增加而缓慢增大;凝结压降在质量流量保持不变的条件下,随干度的增加而增大,在相同干度条件下,随质量流量增加而增大,同时随微通道水力直径的增加而减小;根据实验结果回归得到适用于梯形微通道内凝结摩擦压降Martinelli-Chisholm常数C的关联式.

同向流动微气泡产生与分裂的实验研究

本文使用高速CCD可视化技术研究硅微通道内气液等温同向流动微气泡形成过程。作为离散相的空气和连续相的水,流经各自通道后汇聚在主通道前段;在一定的流量比值范围内,连续产生大小均匀的微气泡;发现存在bubbling和jetting两种微气泡形成模式。气泡产生频率随空气和水的流速增大而增加。最后研究了气泡在T型微通道出口处的行为,观察到分裂和不分裂两种形式并进行了分析。

微通道气液同向流动中气泡射流特性

利用高速CCD成像技术,本文研究了梯形横截面微通道内的气泡喷射流动.通过调节同向流动时空气和水流量,研究了气泡形成的大小和频率等变化特性;以及微通道内的流型变化。实验结果表明,气泡喷射频率随空气流量的增加而增大,同时随水流量的增加而上升,且上升幅度渐趋平缓.

具有相同纵横比的梯形微通道内水蒸气流动凝结换热系数

采用微通道内壁集成Pt电阻测量温度的方法,试验研究了具有相同纵横比的2个硅基梯形微通道内水蒸气的流动凝结换热系数,并基于湍流热边界层分析,建立了剪切力驱动的环状流换热系数半理论模型.结果表明,冷凝换热系数随水蒸气质量流量及其干度的增加而增大,在水力直径较小的通道中,微通道换热效率较高.

微重力下液封对熔体内热毛细对流影响的研究

建立了具有液封熔体的热毛细对流的物理模型和数学模型,采用原始变量法对微重力条件下具有液封的熔 体内热毛细对流进行了数值模拟,得到了上、下层液柱主流区的温度场和流场,证实了液封能够削弱熔体内热毛细 对流,从而提高了浮区晶体生长质量,并得到液封的厚度和液封与熔体的动力粘性系数之比对熔体内热毛细对流的 影响规律。

钟罩式气体流量标准装置内部容积的测量方法

基于尺寸测量法，测量了1000L钟罩内部的分阶容积。2个接触式长度计和旋转测量臂构成弦长测量机构。将罩体沿轴向划分为若干等间距截面，以15°采样间隔测量长度计与罩体内壁的接触点到测量臂旋转中心的距离，由接触点空间坐标确定各截面的轮廓。提出一种新的面积扫描法计算各层截面面积。经与圆度误差法的测量数据对比，当采样间隔密集时（5°或15°）2种方法的测量结果比较吻合。由各层截面面积及其轴向间距，计算得到分阶容积数据表作为罩体内部容积的标定结果。

微针肋阵列通道中水的层流摩擦系数的模拟

在Re数为5-400时,对22组不同几何尺寸及排列的方形叉排微针肋阵列通道中水的层流流动进行了模拟计算.研究了微针肋几何结构对层流流动摩擦系数的影响,简化了通道的几何参数,拟合出包含孔隙率、弯曲度、宽高比和Re数的摩擦系数关联式.与其他实验关联式相比,可以较为准确地预测摩擦系数值.

环形浅液池内中等Pr数流体的热毛细对流

为了了解微重力下水平温度梯度作用时环形浅液池内的热毛细对流特性,利用有限差分法进行了非稳态二维数值模拟,环形液池外壁被加热,内壁被冷却,流体为 0.65 cSt的硅油,其Pr 数为 6.7。结果表明,当温度梯度较小时,流动为稳态流动,随着温度梯度的增加,流动将会失去其稳定性,转化成各种振荡流动,模拟结果与实验结果基本吻合。

黏性段塞稳定模型预测水平气液两相流流型转变

在内径50.4 mm水平管道上进行气液两相流实验,实验介质是2种不同黏度的油,根据两相表观速度绘制流型图。使用段塞稳定性模型预测段塞流的转变边界。由于黏度增加阻碍大振幅波和滚动波的起波和波增,黏度大的液体出现段塞的临界液层高度高于黏度小的液体。段塞稳定性模型低估了大黏度液体的临界液层高度和临界表观速度。考虑液体黏性对段塞体内部湍流扰动的抑制作用以及气液表面张力的影响,修正了Benjamin泡移动速度关系式。修正后的段塞稳定性模型对中、低黏度液体适应性较好,预测出现段塞流的临界条件和实验数据比较吻合。

脉冲加热下微尺度表面流动沸腾

利用微机电系统(MEMS)加工技术,在梯形微通道内集成特定形状(60μm×100μm)的Pt微加热器,通过改变脉冲加热电压及水的流速,采用高速摄像机观察并记录微加热器表面的流动沸腾现象,根据脉冲宽度2 ms下不同流速及热流时微加热器表面的核态沸腾及膜态沸腾现象得到了沸腾流型图.结果表明:在一定流速条件下,随着微加热器的热流增加,核态沸腾及膜态沸腾相继出现在微加热器表面,且核态沸腾开始向膜态沸腾转变;同时,增加水的流速,可使微加热器上发生核态沸腾及膜态沸腾所需的热流量增大.

池沸腾临界热流密度及临界波长的实验研究

分别在光滑及波形结构的铜表面上对水和乙醇进行饱和池沸腾实验,观测了临界热流密度(CHF)下临界波长的变化趋势,并分析了表面结构对沸腾传热系数及CHF的影响。实验验证了光滑表面上,临界波长随工质的不同而变化,继而影响CHF,其实验值与经典的临界波长及临界热流密度理论一致。而粗糙表面上的乙醇沸腾实验进一步发现,波形结构可以减小临界波长,从而有效提高CHF,其影响规律与相关文献的理论模型较为符合。

环境条件影响钟罩测量误差的热动力学分析

使用空调系统调节钟罩式气体流量标准装置的环境温度,其控制效果难以完全满足检定高准确度流量计的要求。为分析钟罩运行期间各状态参数随时间的变化特征,借鉴隙封活塞式气动系统,将排气过程视为一个变容出口系统,建立关于钟罩位移、下降速度、罩内压力和温度的热动力学模型。求解四元常微分方程组,结果表明,如果不考虑气体与环境之间的热交换,会导致一定的测量误差,且误差随着气体与罩壁之间的温差增加而增加。由空调引起的环境压力和温度无规则变化使钟罩内压无法达到恒定,因而排气量变化导致的测量误差难以通过装置结构的改进予以消除。

空气和高压天然气实流标定涡轮流量计的差异性

随着天然气供求量的高速增长,国家级天然气实流检定站的产能无法满足城市管网和地区输配气干线上中、高压天然气流量计的周期性检定的需求,大量涉及贸易结算的涡轮流量计只能被送至法定计量检定机构在常压空气下标定,对于其检定结论和校准数据是否适用则存在着争议。为此,分别在常压(0.1 MPa)空气流量标准装置和德国国家高压(2.5 MPa和5 MPa)天然气流量标准装置上对32台涡轮流量计进行了实流标定,引入涡轮流量计扩展校准模型,并基于雷诺数对误差作了对比分析。研究结果表明:①常压和高压下的误差线分别位于两个不同的流动特征区域,不具有可比性;②在分界流量以上区域,涡轮流量计的误差仅随雷诺数而变化;③在各段压力工况中,存在着误差接近的雷诺数重叠区;④工况压力增加,所对应的误差数据可以被认为是对涡轮流量计准确度性能的连续延拓;⑤不同的工作介质对涡轮流量计的性能没有明显的影响。结论认为,常压空气下的标定数据不能用于0.4 MPa以上工况流量计的检定和校准,在压力限制条件下使用空气标定高压天然气流量计是一种可行的方案。

脉冲宽度及质量流量对微尺度流动沸腾的影响

对通过微机械加工技术制成的微芯片进行微尺度过冷流动沸腾现象的研究,分析了脉冲宽度及质量流量对沸腾起始时间的影响.所用Pt微加热器尺寸为140μm×100μm,试验过程选用了6个脉冲宽度(0.05、0.10、0.20、0.60、1.00和2.00 ms)及5种质量流量条件(45、90、135、180和225 kg/(m3.s)),结果表明:脉冲宽度和质量流量对绝对沸腾起始时间影响不大;通过试验数据得到不同脉冲宽度下各个区域的转变关系式,以及对本试验最有效的脉冲宽度为0.20 ms.

脉冲加热下微尺度沸腾及微汽泡动力学

利用MEMS微加工技术,在微通道内集成Pt微加热器。在一定流速下改变脉冲加热电压,利用高速CCD及数据采集卡,并通过Pt温度电阻特性关系式,观察并记录微加热器表面的沸腾现象及温度变化。通过研究,观察到随加热功率变化出现的两种微尺度沸腾现象,尤其是稳定蒸汽膜的生长在其他学者进行的相似研究中很少出现,并分析了相关的汽泡动力学,最后比较了由未完全凝结汽泡引起的两个连续脉冲过程中汽泡动力学的差异。

电场作用下肋表面电对流现象的可视化研究

电场可强化池态沸腾换热已经得到研究者的普遍认可.以往研究者主要针对光滑表面、加热管或加热线表面的电场强化换热进行研究.在光滑表面增加肋结构可以改变加热面附近的电场分布,从而影响加热面的换热效果.以R113作为实验工质,搭建了可视化的池沸腾实验台,采用高速摄像机记录了肋高为2 mm的加热面在电场作用下的电对流现象.实验发现,电对流随着施加电压的升高而增强,电对流加速了加热面附近流体的混合,破坏了热边界层,使得加热面温度降低从而强化了换热.

含冰星壤钻取密封与水资源提取转化技术研究

在未来深空探测中,水冰资源的获取与转化是地外天体原位资源利用的重要环节。面向地外天体水冰资源原位利用问题,研究了含冰星壤钻取密封与水资源提取转化一体化技术,以实现水、氧、燃料等基本物资的原位补给,支撑深空探测过程关键技术的发展。首先在地面上构建了典型真空低温环境,研制了含冰星壤钻取密封与水冰光热提取利用一体化原理样机,包含星壤钻取、太阳能聚光加热、水资源冷凝与收集和氢氧光电化学合成装置4部分,并在真空低温环境下开展了原理样机试验。结果表明,该一体化技术能够实现含冰星壤的低功耗钻取,土壤输运速率>1.7 kg/h,功耗<100 W,水资源获取速率达26.6 g/h,氢氧分解的总气体产率达12.6 g/h。该研究验证了地外水冰资源提取技术原理的的可行性,同时为解决地外探索中对水氢氧等物资的生产和转化提供了技术支撑。

改性SiO_2纳米颗粒沸腾沉积层的形成原理及其沸腾换热

实验研究了改性SiO_2纳米流体液滴蒸发后的沉积图案,以及改性SiO_2纳米颗粒沸腾沉积层对沸腾换热的影响。液滴蒸发实验研究表明:改性官能团会影响改性SiO_2纳米颗粒是否吸附在液-气界面,从而推断出在沸腾过程中改性官能团对纳米颗粒沉积方式的影响。沸腾实验研究结果表明:用聚乙二醇基团改性的SiO_2纳米颗粒沸腾沉积层使加热面的平均粗糙度从160 nm大幅增长到977 nm,且能增强纯水的沸腾传热系数;而用磺酸基团改性的SiO_2纳米颗粒沸腾沉积层对加热面的平均粗糙度的改变不明显,只使其增大了60 nm,且恶化了纯水的沸腾传热系数。通过沸腾换热实验结果较好地验证了通过液滴蒸发实验推断出的沸腾过程中改性官能团对纳米颗粒沉积方式的影响。