中国微重力科学研究回顾与展望

微重力科学主要研究微重力环境中物质运动的规律,以及不同重力环境中重力对物质运动的影响.中国微重力科学研究起步于20世纪60年代,兴起于80年代中后期,经过多年发展,目前已初具规模,在一些重要方向具有明显特色和一定优势.本文回顾了中国微重力科学研究的早期历程,评述了近年来中国微重力科学研究进展,特别是利用实践十号科学实验卫星、天宫二号空间实验室等空间平台开展的微重力科学与技术应用研究取得的最新成果,并对中国载人空间站时代微重力科学发展的前景予以瞻望,推动微重力科学与应用研究在中国的快速、可持续发展.

微重力条件下气 /液两相流压降实验研究

利用俄罗斯IL 76失重飞机对微重力条件下方形截面管道内的水 /气两相流压降进行了实验研究 .利用本次微重力气 /液两相流压降实验结果对一些目前常用的基于地面常重力实验结果的两相流压降预测模型 (均相模型、Lockhart Martinelli Chisholm模型和Friedel模型 )在微重力条件下的适用性进行了评估 .比较发现 ,均相模型和Lockhart Martinelli Chisholm模型预测结果和实验数据差异很大 ;而Friedel模型的预测结果尽管也与实验数据有着明显的差别 ,但在这些模型中是误差最小的 .因此 ,可以利用Friedel模型来对微重力气 /液两相流压降进行初步预估 ,而新的、更精确的模型将依赖于更有物理意义的分析方法及不同重力条件下气

短时微重力条件下燃料电池性能实验研究

开展了不同重力情况下燃料电池性能的实验研究.利用微重力落塔,对常重力和微重力条件下燃料电池发电时其内部的两相流动开展了可视化现场观测.对重力因素对燃料电池内部传质过程的影响进行了分析和讨论.实验结果表明;当电流密度较大时,在微重力环境中燃料电池性能较常重力环境中的有较明显下降.由于微重力条件下浮升力的消失导致气体不能及时从流道中排出,进而对直接甲醇燃料电池内的传质过程产生负面影响.

质子交换膜燃料电池短时微重力性能实验研究

利用落塔开展了不同重力情况下质子交换膜燃料电池性能的实验研究。对常重力和微重力条件下质子交换膜燃料电池发电时其阴极蛇形流场内部的两相流动开展了可视化现场观测。对重力因素对质子交换膜燃料电池内部传质过程的影响进行了分析和讨论。实验结果表明:在常重力环境中,液态水堆积在竖置流道的底部,无法有效排出。聚集在流道内的液态水与反应气体在流道内形成气/液两相流动。在微重力环境中,液态水在气体推动力的作用下从流道的底部上升并沿流道向出口流动。聚集在流道内的液态水排除后,减小了反应气体(氧气)从流道向催化层的传递阻力,从而使质子交换膜燃料电池的性能得到提高。

过冷池沸腾落塔短时微重力实验研究

本文研制了一套控温池沸腾实验设备,利用中国科学院国家微重力实验室落塔开展了短时微重力环境下的过冷池沸腾传热实验研究。加热元件为长30 mm、直径60μm的铂丝。实验工质为0．1 MPa压力下过冷度为24℃的R113。在地面常重力和落塔短时微重力实验中,观测到核态沸腾和双模态过渡沸腾现象。对核态沸腾,微重力传热效果稍有增强而汽泡形态却呈现出剧烈变化。对双模态过渡沸腾,微重力下膜态沸腾部分有明显收缩,但热流密度值仍比常重力时减小20％。

微重力池沸腾实验研究

本文利用我国第22颗返回式卫星开展了微重力条件下过冷池沸腾传热实验研究。实验中采用桥式自反馈电路控制加热面温度,加热元件为长30mm、直径60μm的铂丝,实验工质为0．1 MPa压力下过冷度为26℃的R113。实验发现,沸腾起始温度不受重力水平影响,而微重力核态沸腾传热略有增强,汽泡脱落行为也有着不同的特征。

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3.6 s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10 mm×10 mm×0.5 mm),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.

微重力下固体材料燃烧特性的地面实验模拟方法研究

在对水平窄通道内典型热薄固体材料的燃烧特性进行实验和数值模拟的基础上,分析了材料表面火焰传播、材料可燃极限与微重力实验结果的相似性,以及窄通道实验模拟微重力材料燃烧特性的机理。研究表明,在航天器舱内常见的低速气流条件下,高度为10mm～14mm的窄通道能较好地模拟微重力环境中材料表面火焰传播的特征,并复现材料的可燃极限曲线;窄通道内火焰诱导的浮力流动速度的最大值约为5cm/s,与常规实验通道(高度较大)相比,窄通道能够有效地限制自然对流,进而提供模拟微重力条件下材料燃烧特性的实验环境。

微重力池沸腾传热实验研究

本文实验研究了平板加热面FC-72液体的准稳态池沸腾传热现象,利用地面常重力实验、SJ-8卫星搭载微重力实验等手段,分析了不同重力、压力及过冷度条件下平板加热面上的池沸腾传热特性。微重力条件下,相近压力或过冷度时,传热系数和CHF随过冷度或压力增大而增大。相对常重力,传热曲线明显变缓,沸腾起始时的壁面过热度降低,CHF仅为常重力的40%或更低。

微重力准稳态池沸腾中的气泡动力学研究

本文实验研究了微重力条件下的准稳态核态池沸腾现象中的气泡动力学特征及其对传热特性的影响,发现在低过冷度沸腾中,聚合汽泡表面的强烈振荡促进了整个加热面上的核化过程与核态沸腾传热;而高过冷沸腾中,聚合气泡在表面张力作用下呈球状,难以覆盖整个加热表面,导致核态沸腾向膜态沸腾的过度过程表现为"核态沸腾+局部的干斑扩展"现象,相应的传热曲线没有明显转折.微重力条件下池沸腾临界热流随过冷度和压力的增加而升高,与地面结果定性相符。

虹膜组织力学特性研究的实验方法探索

创建了将眼瞳孔水密缝合后,在不破坏其正常功能作用的几何形态条件下,模拟眼内前后房压强差,对虹膜整体进行加压的实验方法。首次使眼虹膜整体力学特性的认识成为可能。本方法的实验结果将另文报道。

不同重力条件下气/液两相流实验研究

利用俄罗斯“和平号”空间站进行了国际上首次长时间微重力（１０－５ｇ）条件下气／液两相流型实验，并利用实验装置旋转产生的低重力（０．１ｇ和 ０．０１４ｇ）条件进行了低重力对比实验．实验结果和现有模型进行了比较，并通过比较不同重力条件下气／两相流型的特征，得到了两个气／液两相流型非重力依赖性准则。

微重力条件下气/液两相流流型的研究进展

气／液两相流流型是两相流研究领域最基本的课题之一，至今已有数十年的研究历史．但是，由于气／液两相流动现象极为复杂，目前还没有得到一致的结论．近十多年来，利用微重力环境减弱甚至完全消除重力的影响，简化流动中各种不同因素间的相互作用及流型特征，大大促进了对气／液两相流动特征及流型产生与转换机理的研究．同时，微重力条件下的气／液两相流动是空间技术领域必须解决的关键技术问题之一，具有重要的学术意义和重大的应用价值．本文简要总结了微重力条件下气／液两相流流型研究的基本方法以及实验结果和理论进展，指出今后研究中应该注意的一些方向．

微重力燃烧研究进展

认识燃烧过程是安全、高效、洁净地利用能源的基础.但是,常重力条件下的浮力对流和重力沉降使得燃烧现象变得复杂.而微重力条件下这些影响几乎消失,这简化了对燃烧的研究.在加深对地面燃烧过程和载人航天器火灾安全问题的认识的推动下,经过近半个世纪特别是最近10多年的发展,微重力燃烧研究已经涵盖了预混气体、气体扩散、液滴、颗粒和粉尘燃烧、燃料表面的火焰传播等燃烧学科的各个领域.研究中实现了球对称液滴燃烧、不受沉降影响的粉尘燃烧、静止或低速对流环境中的燃烧,观察到了火球、自熄灭火焰等现象,阐明了碳黑形成中的热泳力效应、可燃极限与火焰稳定性等机理.加深了对燃烧现象,特别是对辐射效应的理解:在预混气体、气体扩散、液滴等多种火焰中,除了停留时间过短引起的吹熄极限外,还存在辐射热损失过大引起的冷熄极限,后者只能在微重力条件下观测到.部分研究成果已经进入教材.而火焰在微重力下不同于常重力下的现象,对载人航天器火灾安全具有重要意义.考虑到我国的现实情况和国内外的研究现状,建议将煤炭颗粒和粉尘的燃烧、与碳黑相关的机理、辐射效应、化学动力学等作为我国微重力燃烧的主要研究方向.

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.

微重力下加热面尺寸对气泡动力学行为的影响

为揭示微重力环境下加热表面尺寸对气泡动力学行为的影响,通过对比实验研究了不同热流密度条件下两种尺寸芯片表面核态沸腾过程中气泡的动力学行为.结果表明,低热流密度时两种尺寸芯片表面均能维持典型的孤立气泡沸腾,气泡生长合并过程缓慢,仅大芯片表面气泡脱落,并且体积达到小芯片气泡的3.4倍.两芯片在中等热流密度下均呈稳定的核态沸腾,气泡生长合并加速、脱离频率升高.大芯片表面气泡脱离次数明显高于小芯片,脱离气泡产生的尾流效应减小了后续气泡的脱离直径,进而有效抑制了气泡底部干斑的形成.高热流密度时,小芯片处于膜态沸腾状态,沸腾换热显著恶化;而大芯片表面仍能维较持稳定的核态沸腾.因此,增大芯片尺寸能有效促进气泡脱离,提高临界热流密度.继续升高大芯片热流至临界热流密度之上,虽然进入膜态沸腾换热状态,但是气泡无法完全覆盖芯片表面且可缓慢滑移,从而缓和了芯片温度上升速率.

应用于微重力流变实验的旋转流变仪

基于失重条件下的流变学实验需求，针对国内流变学空间实验仪器的空白，研制适用于航天发射和微重力实验的旋转流变仪．以五相步进电机驱动旋转，采用应变式扭矩传感器，并增加预紧轴承提高旋转精度，通过滑台驱动和光栅尺定位反馈完成液位厚度调整和拉伸运动．剪切转速区间0．01～1000r／min，平均转速精度优于1％，实现了150mm／s的高速拉伸和0．5μm精度的样液厚度调整．通过测量标准硅油取得地面实验数据，得出该方案可行的结论，相对于商用流变仪，采用该方案的流变仪可进行长行程拉伸流变测量，且结构坚固可靠、体积小、重量轻，可实现发射入轨且成本低廉．

微重力条件下90°弯管气液两相流型研究

本文报道了微重力条件下90°弯管内气液两相流型实验结果。弯管内径12.7 mm,弯曲半径76.5mm,气、 液两相表观流速分别为1.0—23.6 m/s和0.09—0.5 m/s。本文分析了观测到的弹状流、弹-环过渡流和环状流的典型特 征,比较了与微重力直管内相应流型间及常重力弯管两相流型间的异同。

利用微重力条件研究分散体系

讨论了重力对分散体系特性的可能影响以及如何利用微重力条件开展在重力环境中难以深入研究的问题，并探讨了对理论研究和实际应用有价值的可能课题．

胶体的聚集过程和胶体晶体的微重力研究

本文结合日常生活和工业应用等方面的例子,介绍了与胶体聚集过程和胶体晶体等相关的复杂流体研究的科学意义和应用价值,分析了开展相关微重力研究的必要性,并介绍了国际上相关微重力研究内容,以及我国空间站即将开展的有关研究。