论文部分内容阅读
配合天宫二号液桥空间实验项目，为空间科学实验提供参考和对比，开展了直径为20mm的大Prandtl数大尺寸液桥浮力-热毛细对流地面实验研究。液桥作为一种典型的微重力流动体系，对它的研究能促进对热毛细流动的非线性特征、流动稳定性、以及分岔转捩等基本规律的认知。本文通过实验研究了大尺寸液桥中热毛细对流的转捩过程，不局限于临界起振条件和失稳机理的研究，基于流场结构的分析和失稳特性的混沌动力学分析，探索了超临界流动中蕴含的丰富物理现象，揭示了流动模式的转变、通向混沌的转捩途径。主要完成的工作内容有: 改进实验方案，设计透明桥柱实现流场的可视化测量，鉴于液桥的流动存在温度和速度的耦合，在热电偶单点测温基础上，采用粒子图像测速技术(PIV)和红外热像仪等多种实验手段，对不同实验工况下的温度场和速度场进行观测。 基于红外成像技术对热毛细对流温度场进行实时测量，得到了较为完整的流动模式转捩过程。随着温差的增大，液桥热毛细对流存在:定常轴对称-定常非轴对称-驻波-行波-局部两条行波分离-无规则的振荡状态。对整个升温过程的红外图像作温度-时空演化可以更为直观地再现温度随时间的演变过程，藉由此发现了局部行波分离的新现象、探究了流动失稳机理。在热毛细对流的初期，液桥两端的作用温差驱动自由面从热端向冷端的剪切流动，引发整个流场的对流。在温差较小的基态下，液桥中的对流为定常流动，包括定常轴对称状态和定常非轴对称状态。当温差超过某一临界值，流动会失稳为振荡流动，作为典型的耗散体系，在自然对流的过程中，液桥内的能量在不断地累积、传递，诱发流场呈现不同的波动形式。在远离临界点的超高温区域，系统蓄存了大量的能量，反映为流体热运动的骤变，温度场呈现看似无规则的混沌状态。 结合PIV速度场测量结果，验证了流场失稳为振荡流由定常轴对称到定常非轴对称的一次转捩和由定常非轴对称到振荡的二次转捩过程，流体的对流耦合了速度和温度的共同作用，波动速度和平均速度具有相同的量级，热毛细振荡的起振是强非线性过程。流场中的涡胞结构使得温度分布不均匀性增大，其定向运动带动了热流波的周向传播。表面张力带动了流体的流动，重力在流动中起到了稳定流场，抑制失稳的作用。 基于晶体生长的研究背景，重点研究了热毛细对流由定常状态失稳为振荡状态的转捩，通过改变高径比和体积比探讨了几何参数对临界起振点的影响，验证了体积比的非线性特征，从临界温差和临界频率两方面定量分析了流场的流动特性。同时探讨了几何参数对流动模式的影响，通过对流动波数与几何参数关系的研究，揭示并修正了波数与高径比mk·Ar≈1-1.1的规律。借助红外结果，阐述了流场结构对温差的敏感性，对热电偶测完结果进行了更为直观地证明和补充。 通向混沌的转捩途径作为天宫二号空间项目的创新点，本文也对此展开了深入研究。通过地面实验观测到了包括准周期和倍周期在内的多种通向混沌的转捩途径，其中包括准周期和倍周期耦合的新型转捩途径。分析了不同工况下的热毛细对流转捩过程，结合红外得到的流动模式，研究了包括几何参数和Prandtl数在内的各种实验条件对转捩途径的影响。 基于混沌现象在非线性系统中的普遍性，采用分形的GP算法和Wolf等的时间演化算法，在时间序列相空间重构的基础上，代入最佳延时时间和嵌入维数，实现关联维数和Lyapunov指数的计算。结果的非负性及收敛性确定本实验系统为非线性的混沌系统，同时基于温度振荡信号对准周期和倍周期耦合转捩途径进行了混沌动力学分析，研究发现流体的分岔会使得流场结构发生变化，反映为关联维数和最大Lyapunov指数的突变。