IMECH-IR  > 国家微重力实验室
微重力蒸汽冷凝过程和传热特征实验研究
Alternative TitleExperimental Study on Vapor Condensation Process and Heat Transfer Characteristics on Ground and in Space
王许稳
Thesis Advisor刘秋生
2016
Degree Grantor中国科学院大学
Place of Conferral北京
Subtype博士
Degree Discipline流体力学
Abstract蒸汽冷凝作为常见的物理现象广泛存在于自然界和工业生产中。在地面环境下,不管是蒸汽侧还是冷凝液体侧都要受到重力作用的影响。在空间微重力条件下,蒸汽凝结表现出新的特性,即地面上重力和表面张力的主导地位被表面张力所取代。若没有对流,蒸汽要克服很大的传质阻力才能到达冷凝壁面。液体在冷凝台上停滞,极大增加了冷凝热量的传递热阻,使冷凝很难发生。由于在空间微重力环境下的航天器内大量存在蒸汽冷凝现象,为合理设计空间冷凝设备,排除重力的影响研究蒸汽的冷凝机理,需要进行空间微重力冷凝实验。本文是空间微重力实验中地面实验部分和空间预测。当地面上冷凝液体呈微尺度的液滴形状,重力对其影响程度相比表面张力小很多,在一程度上可以认为小液滴、微尺度的冷凝与空间微重力冷凝具有一定相似性,可将其与空间冷凝实验做对比。 本文采用HFE7100、无水乙醇等不同实验工质在密闭空间液池内进行了非稳态冷凝过程及其传热特性的地面实验研究。实验观测了冷凝发生、发展的过程,并获得蒸汽对流方式、不冷凝气体的含量、冷凝台温度、冷凝台的放置方式等对冷凝换热的影响。 采用无水乙醇和FC-72不相溶液体的双工质蒸汽进行了珠状冷凝实验研究,发现通过改变蒸汽配比,可以生成稳定汇聚的珠状凝结、不稳定汇聚的珠状凝结和波浪状的珠状凝结三种不同形式的珠状凝结。实验发现不管是何种组合,两种蒸汽都发生冷凝,但产生的位置和表现特性不同。理论分析了液滴在液膜上的表现形式,解释了在液滴汇聚过程中变大和消失的原因,发现了在液膜上液滴汇聚后发生弹跳的必要条件。 采用红外热像仪非接触式测试技术实验研究了珠状凝结的形成、长大、汇聚过程以及冷凝液滴表面温度的变化规律。理论分析一般认为冷凝过程中液滴或液膜表面温度是恒定的,本实验测量发现冷凝液滴达到一定尺寸后液滴表面温度逐渐降低。通过发现液滴汇聚清理的冷凝台表面温度与初始洁净台面温度的不同,确定在珠状凝结汇聚后冷凝面上存在前驱膜,且随着冷凝液滴的增大,其表面温度变化显著。通过对热流量的监测,得知冷凝液滴表面温度越高,其冷凝换热量越高。 研制了一种空间、地面两用蒸汽发生器及相关的冷凝工质注液工装。蒸汽发生器不受出口压力的影响,始终保证出口为一定温度、确定流量的过饱和蒸汽。实验液池及其相关管路采用卡套和橡胶圈的密封方式保证了实验液池的气密、承压要求。采用激光刻蚀技术对冷凝台表面进行刻蚀处理,使表面张力小的FC-72冷凝现象更容易被观测到。 采用数值计算的方法分析了冷凝实验液池加热保温的必要性,确定了有效的空间实验液池加热方案并予以实施。 利用研制的空间冷凝实验装置进行了地基冷凝科学实验研究。采用FC-72作为实验工质,获得在冷凝台降温过程中冷凝台表面温度、冷凝换热量、冷凝液膜形式随时间的变化情况。并理论分析预测了空间微重力条件下冷凝液膜的发生、发展趋势以及通过冷凝液与冷凝台的换热关系。
Call Number31361
Language中文
Document Type学位论文
Identifierhttp://dspace.imech.ac.cn/handle/311007/59461
Collection国家微重力实验室
Recommended Citation
GB/T 7714
王许稳. 微重力蒸汽冷凝过程和传热特征实验研究[D]. 北京. 中国科学院大学,2016.
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