文档介绍：微重力下的两相流动和传热及其研究方法
摘要本文对微重力下的两相流动中的几个基本问题、两相流动的主要流型进行了一定的综述,并对微重力下的气液两相流动传热规律的研究方法进行了小结。
关键词微重力,两相流动传热,流型,研究方法
1 引言
航天科学发展明显的趋势是朝更大、更科学、更复杂的航天器方向发展,这对航天器中热控制系统的设计提出了严肃的挑战,而采用两相受迫对流热传输系统可以大大地增强大型航天器中的热传递效率,因而微重力下的两相流动和传热越来越成为航天界关注的焦点之一。两相流动是涉及到流体物理的一个非常广泛多样的领域,为了缩小范围,这里仅仅考虑有一个或多个自由相交界面的流动。通常这些交界面对重力的存在或消失反应非常敏感,它们包括液-气、液-真空和液-液联合。在大型航天器中,能量关系和化学过程是两相流动和传热存在的传统领域,但人们对它仍知之甚少。为了解决大型航天器中的瓶颈问题,无论如何强调微重力下的两相流动和传热这一问题的重要性似乎都不过分。
2 微重力下的两相流动和传热的几个基本问题
液体的变化
在太空中部分充满液体的容器中液体的去向是一个基本问题,由于发射期间和发射后经历的加速度的缘故,液体可能浮起来相互联合并同壁面相结合,如果重力起伏在和谐或不和的反响频率上有很大能量的话,甚至能引起较大的液体表面的不稳〔1〕。最后,完全润湿的液体将很容易爬出容器或者在一个密封容器中分布于所有显露的表面上,如果润湿性差,就会出现相反的情况。这对热电偶、导热探针和热膜风速仪的可靠性都有严重的影响。
沸腾
沸腾通常是一个有效的传热过程,但饱和池沸腾在太空中的中等热流密度下就变得不稳定了,气泡从加热表面的脱离不再依靠浮力的帮助,由于气泡在过冷区域成长时会有部分凝结,所以过冷池沸腾是更有效的,只要过冷度可以通过外加方式来维持,便可以维持一个稳定的热流通量值。另一方面受迫对流换热在将气泡转移脱离壁面时对重力有更小的依赖性,充分发展的过冷受迫对流核沸腾是已知最为有效的传热过程之一。核沸腾中的临界热流密度代表了核沸腾向膜沸腾的转变,因此它是一个主要的热设计参数。
凝结
凝结与沸腾有相类似的地方,在微重力下,它不再可以把凝结水带走,甚至在没有重力时由流动的蒸汽施加表面剪切力也没有效果,冷凝过程中,蒸汽的速率将下降。在冷凝过程中可以加一些非凝结性的气体例如空气来阻止完全凝结,然而众所周知,甚至少量的空气也非常明显地减小了凝结换热系数。
微重力下的气液两相流动换热
Raymond 〔2〕等研究了NASA的KC-135飞行试验环形通道中的空气-水两相流,获得了飞行期间的流型,压力梯度和传热的数据。~~17m/s之间,在所研究的气-液表观速率范围内,重力对两相双组分流动换热的影响表现为被液体流率大小和流型所影响,得出在低的液、气相速率下,l-g比μ-g下有更高的传热系数(约高20%),然而当液相或气相速率增加时,μ-g下的换热系数l-g下高些,在最高液体速率下,微重力下的传热系数比l-g下高10%,。并且经过分析还发现,流型的结果在某种意义上比原来认为的更复杂。这是因为随着流型的变化