液滴热毛细迁移问题的研究进展

液滴或气泡的迁移现象无论是在流体力学的基础研究中,还是在材料加工,化学工程等实际应用中都是一个很重要的课题.在微重力环境中,如果液滴或气泡所在的母液中外加一个温度场,则液滴或气泡就会由于表面张力分布的不均匀而发生迁移运动.这种运动被称为Marangoni迁移或热毛细迁移运动.综述了液滴或气泡的热毛细迁移问题历史研究中理论分析,数值模拟以及实验方面的主要结果,阐述了该问题的研究发展过程.目前液滴迁移问题的研究,理论分析解还只限于线性及弱非线性的定常问题,数值模拟工作已经得到了在热对流作用较小时液滴的非定常迁移过程,对于热对流影响很大的情况(Marangoni数大于100)则尚未得到与实验中观测到的相一致的理论结果.在总结前人研究的基础上,给出了热对流作用较大时液滴热毛细迁移非定常问题的最新的数值模拟结果,并对该问题在此情况下产生的新变化给予了分析.最后,分析了当前研究中所存在的问题并进一步展望液滴热毛细迁移问题未来的发展方向.

变形影响下液滴热毛细迁移运动的瞬态行为

该文研究了在变形影响下的液滴热毛细迁移运动的瞬态行为.研究采波前追踪法描述可变形液滴的运动界面,整个控制方程使用有限差分法进行离散求解.随着液滴向高温区域迁移,液滴界面上平均界面张力不断减小,导致液滴变形不断增大.为此我们引入了一个实时毛细数以描述迁移过程中液滴在不同温度下的界面张力大小.研究发现随着液滴变形不断增大,密度小于/大于母液密度的液滴迁移速度会持续降低/增加.

大Marangoni数下液滴热毛细迁移的数值研究

采用轴对称的非定常模型对大Marangoni数下的液滴热毛细迁移问题进行数值模拟研究,采用界面追踪方法,发现无量纲的液滴迁移速度会随着Marangoni数的增大而减小.数值模拟结果与神舟4号飞船实验中的结果进行了比较,得到一致的变化趋势.同时,这也是第一次在大Marangoni数范围下利用数值模拟的方法证实该实验现象.

首次液滴太空喜迁移

液滴热毛细迁移实验是神舟四号飞船有效载荷的一部分。

“神舟”四号中的流体物理实验

在多年地基研究的基础上 ,作为载人航天工程应用系统的有效载荷 ,在我国“神舟”四号飞船返回舱在轨飞行期间进行了大Marangoni数 (Ma)液滴热毛细迁移空间微重力实验 .实验中FC - 75液和 5cst硅油分别为滴相和连续相实验流体介质 ,研究了在稳定、长时间的微重力环境中 ,不同温度梯度条件下液滴热毛细迁移的现象及特征 .Marangoni数到达 5 5 0 0 ,很大地扩展了过去液滴热毛细迁移实验的Ma参数范围 .实验结果表明 ,大Ma数液滴热毛细迁移特征规律复杂 ,迁移速度与YGB模型线性预测有明显的差别 .文章介绍了液滴热毛细迁移研究进展 ,给出了此次空间实验的一些主要结果 .讨论了大Ma液滴热毛细迁移的特征 ,并对自行研制的空间实验设备。