微重力气液两相流动与池沸腾传热

综述了近年来中国科学院微重力重点实验室(国家微重力实验室)完成的一系列微重力气液两相流动与池沸腾传热方面的地基实验、飞行实验和理论研究等方面获得的主要成果.在微重力气液两相流动方面,提出了半理论Weber数模型用于预测微重力条件下气液两相弹-环状流转换,并采用Monte Carlo方法,针对气泡初始尺寸对泡-弹状流转换的影响进行数值研究.通过俄罗斯"和平号"空间站与IL-76失重飞机实验,获得了微重力下的气液两相流型图,与此同时在地面利用小尺度毛细管模型模拟了微重力气液两相流动特征.实验测量了微重力气液两相流压降,并基于微重力流动特性建立了一个泡状流压降关联模型.在微重力池沸腾传热方面,利用我国返回式卫星完成了两次空间实验,其中,第22颗返回式卫星搭载铂丝表面R113池沸腾实验采用控制温度的稳态加热方式,而实践8号育种卫星搭载平面FC-72池沸腾实验则采用控制加热电压的准稳态加热方式.同时,还进行了地面常重力和落塔短时微重力条件下的对比实验研究.观察到丝状加热表面微重力时轻微的传热强化现象,而平板加热表面微重力核态池沸腾低热流时传热强化、高热流时传热恶化.微重力实验中观察到气泡脱落前存在横向运动现象,据此分析了气泡行为与传热之间关系,并提出了一个预测丝状加热表面气泡脱落直径的半理论模型.旨在对相关领域的进一步发展和空间两相流系统的应用提供数据及理论支持.

Bnard-Marangoni对流温度振荡转捩实验研究

主要通过实验观测Benard-Marangoni对流中存在的温度振荡现象,研究了温度振荡的起振临界Ma数,以及初步探讨了温度振荡随Ma数增加的转捩过程.实验结果表明不同物性参数的硅油温度振荡临界Ma数满足同一临界条件.不同的物性参数的介质表现出不同的温度振荡转捩过程,但同一物性参数不同厚度的介质表现相同的振荡规律.此外,还用粒子迹线法观察了流场结构及转捩过程.

微重力下光滑表面上FC-72的池沸腾实验研究

本文利用小尺度光滑芯片(10 mm×10 mm×0.5 mm),通过控制加热电流方法,在北京落塔进行了持续3.6 s有效微重力时间的过冷池沸腾实验研究。在低热流和中等热流区,微重力条件下可以观察到稳态或准稳态池沸腾现象,传热特性基本维持不变;在中等热流区域,气泡的横向合并会引起合并后的大气泡表面剧烈震荡,进而引发合并大气泡从加热表面脱落。在高热流密度区,微重力条件下加热表面很快形成半球形状并几乎完全覆盖其表面的聚合大气泡;随后,由于高过冷液体冷凝作用,聚合大气泡收缩为半椭球形状,界面也变得更为光滑,且完全覆盖了加热表面,壁温曲线明显升高,可能提前发生临界热流或转变为膜态沸腾,导致微重力条件下沸腾换热显著恶化。

微重力下微结构表面池沸腾气泡动力学研究

针对航天器中电子器件的高效冷却问题,本文通过千式腐蚀技术在单晶硅表面形成一种新的柱状微结构(PF50-120),通过控制加热电压方法,在北京落塔进行了持续3.6 s有效微重力时间的过冷FC-72池沸腾强化换热实验研究.同时.通过高速摄像对壁面气泡动力学行为进行观测分析,结果发现柱状微结构不仅可以有效增加核态沸腾汽化核心数目,而且其独立于重力作用的毛细作用力可以驱动新鲜液体不断向附着在壁面上的大气泡底部供应,在较高热流密度下,柱状微结构表面仍然可以维持稳定的核态池沸腾换热,相比于光滑表面,强化换热效果显著.

短时微重力下气泡尾流效应的动力学特性研究

实验研究了微重力环境中,不同热流密度时尾流效应对气泡动力学过程的影响。结果表明,微重力下气泡的尾流效应比常重力时更加明显,低热流密度时尾流对气泡动力学行为影响微弱,中高热流密度时尾流影响效果显著。尾流区内液体的水平流动促进了原生气泡间相互碰撞、合并过程,垂直加热面的流动则给气泡施加了向上的曳力,从而降低了气泡生长周期和脱离半径。尾流区内过冷液体的冷却作用使气泡内形成负压,液体从微柱结构内被吸入气泡底部,为其长大提供新鲜液体,避免局部干斑。尾流效应与微柱结构相互作用,能有效促进加热面的气泡合并和脱离过程,提高表面换热能力。

微重力下微结构表面强化沸腾换热研究

为了提高航天器中电子器件的冷却效率,本文利用干式腐蚀方法形成方柱微结构,通过控制加热电流方法,在北京落塔进行了持续3.6 s有效微重力时间的过冷FC-72池沸腾强化换热实验研究。研究结果表明:相比光滑表面,方柱微结构表面利用其独立于重力水平的毛细作用力,显著地强化了微重力沸腾换热。

静态水气分离特性的失重飞机实验研究

利用失重飞机提供的短时失重、超重和常重力交变环境,研究了膜式静态水气分离器首级可视化分离室和再循环管道中的水气两相流动构型。首级分离室内变截面蛇形窄通道内变质量流率的气液两相流动表现为间歇状的、不稳定的溪状流,在不同重力阶段具有几乎相同的变化特征。再循环管路内的气液两相流主要以细碎的泡状流和弹状流为主,气泡或气团间平均间距极大,含气率演化过程具有强烈的间歇性,但在抛物线飞行过程中含气率变化的总体特征与重力水平的变化基本无关。这表明静态水气分离器的工作性能基本不受重力影响。

基于碳纳米管的含油纳米制冷剂核态池沸腾换热特性

通过实验研究了基于碳纳米管（CNTs）的含油纳米制冷剂（即由制冷剂R113、润滑油VG68和碳纳米管组成的纳米流体）的核态池沸腾换热特性,分析了碳纳米管对含油制冷剂核态池沸腾换热的影响。实验中采用了外径为15~80nm、长度为1.5~10μm的四种碳纳米管。实验的饱和压力为101.3 kPa;热流密度为10~80 kW/m2;纳米油（碳纳米管和润滑油的混合物）的质量分数为0~5%;在纳米油中碳纳米管的质量分数为0~30%。实验结果表明：碳纳米管增强了含油制冷剂的池沸腾换热,在测试工况下换热系数最大可增加61%。当纳米油中碳纳米管浓度为20%不变,纳米油浓度由1%提高到5%时,不同尺寸的碳纳米管对换热系数的增加幅度由27%~59%降低至23%~55%;当纳米油的浓度为1%不变,纳米油中碳纳米管浓度由20%提高到30%时,不同尺寸的碳纳米管对换热系数的增加幅度由27%~59%升高到33%~61%。通过实验获得了基于碳纳米管的含油纳米制冷剂池沸腾换热关联式,关联式的预测值与96%的实验数据偏差在±10%以内。

含油纳米制冷剂沸腾中气相与液相之间球形纳米颗粒的迁移特性

为了评估纳米制冷剂的沸腾传热效果以及球形纳米颗粒在制冷系统中的循环能力,采用称重法实验研究了纳米制冷剂沸腾中气/液相间球形纳米颗粒的迁移特性,重点考察球形纳米颗粒种类和粒径、制冷剂种类、润滑油浓度、热流密度和初始液位高度对球形纳米颗粒迁移特性的影响.结果表明:球形纳米颗粒迁移率随球形纳米颗粒密度或粒径的减小而增大;制冷剂的动力学黏度越小、密度越大,其在完全蒸发时的球形纳米颗粒的迁移率越大;球形纳米颗粒的迁移率随润滑油浓度的增大而减小,随热流密度的增大而减小,随初始液位高度的增加而增大.

细铂丝表面池沸腾临界热流尺度效应研究

本文实验研究了地面重力环境中过冷度和加热铂丝直径对FC-72和丙酮池沸腾传热临界热流现象的影响。实验结果表明,临界热流具有明显的尺度效应,其特征随Bond数范围的不同而不同,但具体的分区准则依赖于工质的物性。在中等和大的Bond数区域,过冷度对临界热流的影响与铂丝直径无关;而在小Bond数区域,过冷度效应与尺度明显相关。