| 微重力流体颗粒热动力学特性研究 |
| 英文题名 | Study on the Thermal Dynamical Characteristics of Fluid Particles in Microgravity
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| 张良
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| 导师 | 赵建福
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| 2014
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| 学位授予单位 | 中国科学院研究生院
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| 学位授予地点 | 北京
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| 学位类别 | 博士
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| 学位专业 | 流体力学
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| 摘要 | 流体颗粒（气泡和液滴）是多相热流体动力学领域中的重要和基础性研究对象，对其热动力学特性的研究在诸如沸腾传热机理等众多具有重大应用价值的基础科学研究中有着重要意义。沸腾过程因其具有高效的传热效率，不论在地面常重力环境还是空间微重力环境都有十分重要和广泛的应用。然而，沸腾又是一个包含了多相、多尺度、强非平衡、多场耦合的极为复杂的过程，传统的基于经验数据构建沸腾传热性能关联式进而用来指导相应工程设计与实践的方法不能解决工程应用中的诸多难题，尤其是在诸如空间微重力等极端环境的沸腾传热技术应用中，大量经验数据的获得不再可行，也使得这样的传统方法失去了依据。为满足相关工程技术研发与运控管理的迫切需求，需要从机理上开展对沸腾现象更为细致深入的研究。单气泡池沸腾过程作为核态池沸腾孤立气泡区局部流动与传热机理的一个基本模型体系，近年来得到了众多研究人员的重视，各类实验研究和数值模拟纷纷展开，以揭示沸腾过程中液气相变、局部流动和传热的机制。 本论文以单气泡池沸腾过程作为主要研究对象，采用基于Level Set方法的数值模拟方法对核态池沸腾孤立气泡区的局部流动与传热机理进行研究。根据研究对象所涉及的各子过程/现象的特征，整个研究划分为以下三个步骤：1）利用Level Set方法和连续界面力模型对零重力条件下浸没在不相混融液体中的可变形液滴热毛细迁移运动进行研究，以验证自主开发的数值软件处理非均匀温度场内多相流体介质运动与传热的能力，并揭示在非均匀温度场中多相流体介质的运动、变形与传热等特征及其规律；2）利用Level Set方法和固定接触角模型对平壁上液滴等温铺展过程及重力突降引起的液滴弹跳运动进行研究，以验证自主开发的数值软件处理固壁接触线运动问题的能力，并揭示在固壁对多相流体介质的运动与变形的影响；3）利用Ghost Fluid方法处理界面强间断问题，对考虑固壁热容影响下的饱和水单气泡池沸腾过程进行研究，并与实验观测结果相比较，以验证自主开发的数值软件处理单气泡池沸腾传热问题的能力，并揭示固壁热容等因素对沸腾传热特性的影响机理；4）利用验证后的数值软件对不同工况条件下FC-72单气泡池沸腾过程进行研究，以揭示重力等因素对沸腾传热特性的影响机理，并为SJ-10返回式科学实验卫星相应实验提供支撑与对比数据。 关于零重力条件下可变形液滴热毛细迁移运动的数值结果表明，稳定的终态迁移速度在固壁影响可以忽略的条件下是可以达到的，并且液滴终态迁移速度随Ma数的增大单调递减，与文献报道的空间实验结果及其它数值模拟结果相一致。随着Ma数的增加，液滴内部温度场拓扑结构存在两次分岔，而流场拓扑结构并未变化，只是涡心位置发生轻微移动。液滴热毛细迁移过程中热与动量的对流传递之间存在着竞争与合作关系，决定着液滴界面两侧的温度边界层与速度剪切层的存在与否及其随Ma数的变化。 数值模拟了平壁面上液滴在重力作用下的铺展过程，结果表明该过程是一种阻尼振荡运动，其终态平衡位形与SE程序预测的静态位形一致。重力突降会导致液滴表面受力失衡，表面张力会驱使液滴表面回缩，进而驱动液滴发生反弹、脱落、弹跳上升与表面振荡等一系列运动，其运动特征可以用Suratman数来表征；随液滴尺寸的增大，振荡液滴上的表面波振幅逐渐增大，而频率则逐渐减小，与经典的液滴振荡理论相符。 数值研究了固壁热容影响下的饱和水单气泡池沸腾过程中的流场及包含固壁在内的温度场分布及其变化规律，发现在固定等待时间与固定核化过热度（或核化空穴尺寸）两种核化准则相匹配的条件下，二者所预测的稳态单气泡池沸腾过程本质上是一致的；空穴尺寸增大，相应的核化过热度减小，壁面温度恢复时间缩短，气泡再生频率加快，并可能引起气泡纵向合并；固壁热扩散系数减小会导致热穿透深度减小，进而影响等待阶段固壁内部和过热液层中的温度恢复及相应的气泡周期特征。 针对SJ-10返回式科学实验卫星单气泡池沸腾空间实验，数值研究了固壁热容影响下的饱和FC-72单气泡池沸腾过程中的流场及包含固壁在内的温度场分布及其变化规律，发现Zuber假设可以刻画常重力条件下加热表面上的平均热流密度与平均过热度间的关系；而重力水平的下降，会导致气泡生长周期增长，并使固壁表面温降与内部热穿透深度增大，该变化在空间实验用加热固壁厚度设计时需详加考虑。 |
| 索取号 | 31149
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| 语种 | 中文
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| 文献类型 | 学位论文
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| 条目标识符 | http://dspace.imech.ac.cn/handle/311007/48995
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| 专题 | 微重力重点实验室
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推荐引用方式
GB/T 7714 |
张良. 微重力流体颗粒热动力学特性研究[D]. 北京. 中国科学院研究生院,2014.
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