空间相变流体实验装置关键技术研究

• 作 者: 盛玲波
• 机 构: 中国科学院大学
• 出 处: 中国科学院大学
• 发表日期: 2013年期
• 关键词: 液滴蒸发 气泡沸腾 两相流 空间实验 相变传热

液滴的蒸发和气泡的沸腾传热现象是相变换热过程中的主要基本形式，也是空间应用两相系统及地面环境中遇到的最典型、最常见的两相流动和传热现象，广泛存在于不同重力（如太空微重力，月球低重力等）不同温度环境下。由于空间资源十分宝贵，如何在更小的空间内完成更多的两相流实验非常重要。　　
本文以空间两相系统的应用技术与应用基础科学研究为背景，以空间科学实验卫星为技术平台，探索研究空间相变流体的多功能科学卫星实验的可行性，提出在一次卫星任务中同时完成液滴蒸发和气泡沸腾观察的综合科学实验方案，完成了多功能综合实验平台的设计搭建工作，包括多功能综合实验液池、温度控制系统、压力控制系统、图像采集系统、辅助机电系统以及相关加热元器件和热流量传感器的设计加工。平台利用蒸发和沸腾实验方法和观测手段上的共同点，简化了实验装置，提高了空间实验设备的使用效益，为后续的空间两相系统科学实验研究打下良好基础。　　
应用上述综合实验平台和多种实验观测方法，本文对不同基板材料、不同基板温度、不同液滴尺寸和不同液体成分的蒸发液滴进行了系统性地科学实验研究，获得了包括液滴形貌（体积、接触角、基板接触直径、液滴高度）、液滴底部特征点温度、液滴底面热流量和液滴蒸发速率随蒸发过程的变化定量数据，研究了蒸发效应和热毛细对流对液滴内部热质传输的影响规律。结果表明:①基板表面特性、液体成分、基板温度会影响液滴的润湿性和蒸发模式，进而影响蒸发时间和传热效率;②液滴大小决定了液滴蒸发理论模型的适用范围;③液滴底面热流量与液滴蒸发速率、液滴与底板接触直径有很好的线性关系。　　
此外，本文还对前述综合实验平台对气泡池沸腾科学实验的适应性进行了初步的探索，验证了实验平台内各个组件对气泡沸腾实验的功能性支持和科学目标覆盖，发现本综合实验平台可以用于开展气泡沸腾实验。