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核态池沸腾传热现象中的重力标度规律

科学通报 2020年第17期65卷 1629-1637页

作者：杜王芳赵建福中国科学院力学研究所微重力重点实验室北京100190 中国科学院大学工程科学学院北京100049

沸腾过程极强的热传递能力使其在地面常重力环境和空间微重力环境都有着广泛应用.重力是影响沸腾传热性能的重要因素,关于重力影响规律的研究对相关空间应用具有重要意义.本文回顾了有关核态池沸腾传热重力标度规律的研究现状和进展,特... 详细信息

沸腾过程极强的热传递能力使其在地面常重力环境和空间微重力环境都有着广泛应用.重力是影响沸腾传热性能的重要因素,关于重力影响规律的研究对相关空间应用具有重要意义.本文回顾了有关核态池沸腾传热重力标度规律的研究现状和进展,特别对基于地基短时失重飞机准稳态沸腾实验结果提出的Raj-Kim-McQuillen重力标度律模型(RKM模型)进行了详细评述,讨论了其中关于核态池沸腾曲线起、止端点(沸腾起始点和临界热流点)及其渐近性能的基本假设和隐含假设.通过与经验知识(包括实验观测数据和数值模拟结果)比较,明确了RKM模型的贡献与不足,建议了进一步的低重力实验和深入系统的数值模拟等,以推进该领域研究深入开展.

关键词：核态池沸腾重力效应重力标度律核态沸腾起始临界热流密度微重力

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安装方位对电解电池性能影响的实验研究

工程热物理学报 2013年第8期34卷 1491-1493页

作者：彭超赵建福杜王芳李晶中国科学院力学研究所微重力重点实验室北京100190

本文采用缩比的可视化SPE电解电池模型,研究了安装方位对电解电池阴极流道内气液两相流型及其电性能的影响。研究结果表明:电解电池处于不同安装方位时,流道内的气液两相分布状况有明显不同,但其电性能变化不大;电解电流的增大会导致阴... 详细信息

本文采用缩比的可视化SPE电解电池模型,研究了安装方位对电解电池阴极流道内气液两相流型及其电性能的影响。研究结果表明:电解电池处于不同安装方位时,流道内的气液两相分布状况有明显不同,但其电性能变化不大;电解电流的增大会导致阴极流道内气相聚集成长条状气团,但电性能并不显现任何的方位相关性。因此,实验所研究的SPE电解电池在相应运控参数范围内可以实现电性能的重力无关。

关键词： SPE电解电池安装方位气液两相流电性能重力效应

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真空环境液体闪蒸射流实验研究

工程热物理学报 2014年第5期35卷 910-913页

作者：杜王芳赵建福李凯中国科学院力学研究所微重力重点实验室北京100190 国家核电技术有限公司北京研发中心北京100084

本文实验研究了蒸馏水经内径0.226 mm、长度16.5 mm薄壁不锈钢直管向真空环境排放时形成的液体闪蒸射流现象.实验观察到3种射流形态。在液体初始温度低于背压所对应的饱和温度时,液体不会发生闪蒸,液体射流喷出后保持完整;反之,液体表... 详细信息

本文实验研究了蒸馏水经内径0.226 mm、长度16.5 mm薄壁不锈钢直管向真空环境排放时形成的液体闪蒸射流现象.实验观察到3种射流形态。在液体初始温度低于背压所对应的饱和温度时,液体不会发生闪蒸,液体射流喷出后保持完整;反之,液体表面蒸发会导致液体射流核周围出现不规则蒸发波,射流破碎散落;进一步降低背压,会使得射流一出喷口即快速破碎形成扩张角大于90°的雾状射流。射流流量在背压低于某个临界数值时出现壅塞现象,即流量不再随背压降低而增加,表现出强烈的可压缩流动特征。

关键词：液体闪蒸射流壅塞真空

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真空环境液体排放过程的热动力学研究

工程热物理学报 2015年第3期36卷 564-567页

作者：赵建福杜王芳李凯中国科学院力学研究所微重力重点实验室北京100190 国家核电技术有限公司北京研发中心北京102209

实验研究了真空环境液体排放过程(特别是出口射流)的热动力学特征,分析了3种不同射流形态(连续液体射流、部分闪蒸射流和完全闪蒸射流)间的转换条件,发现基于气泡生长机制的Cleary模型低估了闪蒸所需过热度,较早预测了闪蒸射流的发生;... 详细信息

实验研究了真空环境液体排放过程(特别是出口射流)的热动力学特征,分析了3种不同射流形态(连续液体射流、部分闪蒸射流和完全闪蒸射流)间的转换条件,发现基于气泡生长机制的Cleary模型低估了闪蒸所需过热度,较早预测了闪蒸射流的发生;而基于核化机制的Lamanna模型会高估闪蒸所需化学势差,预测的闪蒸发生晚于实验观测结果。闪蒸引起的流量壅塞效应对真空液体排放流量的影响依赖于初始过冷比RP,0=P_0/P_(sat)(T_0),除非初始过冷比远大于1,一般需要考虑闪蒸引起的实际排放流量变化,即明显低于不可压理论的估算结果。

关键词：液体闪蒸射流壅塞真空液体排放

微重力条件下部分充液贮箱气液界面波动特性的数值模拟

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力学学报 2022年第4期54卷 1004-1011,I0003页

作者：魏列杜王芳赵建福李凯中国科学院力学研究所微重力重点实验室北京100190 中国科学院大学工程科学学院北京100049

微重力环境中部分充液贮箱内气液界面和气、液两相介质在残余重力或加速度干扰下的运动特征是先进空间流体管理技术的基础.本文针对空间贮箱常用构型和实际尺寸,基于邦德数相似准则设计了3个缩比模型,数值模拟了原型贮箱和缩比模型中加... 详细信息

微重力环境中部分充液贮箱内气液界面和气、液两相介质在残余重力或加速度干扰下的运动特征是先进空间流体管理技术的基础.本文针对空间贮箱常用构型和实际尺寸,基于邦德数相似准则设计了3个缩比模型,数值模拟了原型贮箱和缩比模型中加速度变化引起的贮箱内气液两相流动及气液界面上界面波的传播.数值模拟结果验证了原型和模型间的运动相似性,发现在满足邦德数相似准则的前提下,系统还近似满足韦伯数相似准则,或等价地,近似满足弗劳德数相似准则.此外,数值模拟结果也表明原型和模型间的运动存在细微偏差,这主要源于黏性耗散作用的差异.由韦伯数相似准则可知,缩比加大,贮箱尺寸减小,重力突变后由表面张力释放出来的驱动力增强,相同韦伯数下流动速度增大,黏性耗散作用随之增强,本文的数值模拟结果证实了该结论.相关结果可以用于指导空间贮箱流体管理技术的地面模拟试验的方案设计等.

关键词：微重力空间流体管理界面波相似准则

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竖直管道内闪蒸界面传播现象的数值研究

力学学报 2023年第8期55卷 1627-1636页

作者：乐述文杜王芳李凯赵建福中国科学院力学研究所微重力重点实验室北京100190 中国科学院大学工程科学学院北京100049

闪蒸界面传播是一种特殊的闪蒸现象,广泛存在于航天器真空环境下的排液过程中.闪蒸界面传播规律的深入研究是完善闪蒸机制,预测真空排液过程,提升航天活动可控性、安全性的重要前提.闪蒸界面传播现象研究目前主要依赖于实验观测,缺乏适... 详细信息

闪蒸界面传播是一种特殊的闪蒸现象,广泛存在于航天器真空环境下的排液过程中.闪蒸界面传播规律的深入研究是完善闪蒸机制,预测真空排液过程,提升航天活动可控性、安全性的重要前提.闪蒸界面传播现象研究目前主要依赖于实验观测,缺乏适合的数值方法.为了避免跨尺度模拟带来的庞大计算量,文章对计算域进行分区,在各分区内建立面密度模型,实现了单一工况下的闪蒸界面传播二维数值模拟.在此基础上,还提出闪蒸界面面密度的气相Weber数修正模型.该模型对不同温度压力条件下的界面微观形态特征进行代数表征,从而令数值模拟能够计算预测不同温度和压力工况条件下的闪蒸界面传播表观速度.最后,模拟了相同出口压力、不同名义过热度条件下的闪蒸界面传播现象,以及相同名义过热度、不同出口压力条件下的传播现象.计算结果表明,当出口压力恒定时,闪蒸界面处的真实过热度以及界面传播表观速度都随名义过热度的增加而增加.且在过热度较小时,真实过热度以及名义过热度都与闪蒸界面传播表观速度之间近似呈线性关系.当名义过热度恒定时,闪蒸界面传播表观速度会随出口压力的增加而增加.

关键词：闪蒸界面界面面密度传播速度过热度

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微重力单气泡沸腾实验研究

工程热物理学报 2023年第8期44卷 2136-2143页

作者：刘鹏杜王芳赵建福李会雄中国科学院力学研究所国家微重力重点实验室北京100190 中国科学院大学工程科学学院北京100049 西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室西安710049

基于SJ-10返回式科学实验卫星单气泡沸腾(SOBER-SJ10)实验装置正交双CCD观测系统特征,开发了基于双目视觉算法的图像分析方法,对空间微重力环境单气泡沸腾实验模式下气泡生长过程进行了定量分析。基于加热面局部温度测点数据,分析了微... 详细信息

基于SJ-10返回式科学实验卫星单气泡沸腾(SOBER-SJ10)实验装置正交双CCD观测系统特征,开发了基于双目视觉算法的图像分析方法,对空间微重力环境单气泡沸腾实验模式下气泡生长过程进行了定量分析。基于加热面局部温度测点数据,分析了微重力单气泡生长过程中底部温度和热流密度的演化特征。微重力条件下,气泡底部接触线区域维持了高效的相变换热,通过底部接触线区域的蒸发-顶部气液界面的冷凝维持了微重力单气泡沸腾传热。图像与科学数据分析结果,包括微重力条件下单个气泡生长过程中气泡形态演化特征与生长气泡底部局部传热等数据,不仅揭示了微重力沸腾传热性能得以维持的细观机制,也为进一步发展沸腾气泡模型提供了可资校验的实测数据。

关键词：单气泡沸腾实验微重力表观接触角热流密度实践十号返回式科学实验卫星

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缓凝砂浆在单螺杆挤出机中的流动分析

实验力学 2010年第5期25卷 598-603页

作者：张建辉杜王芳杭州电子科技大学机械工程学院杭州310018

在预应力钢筋上连续包裹一层缓凝砂浆是新型缓粘结预应力混凝土体系得以工程应用的关键。为了弄清包覆过程,了解物料性能、加工条件和螺杆参数等输入变量对包覆输出结果的影响,基于缓凝预应力筋包覆试验,运用Polyflow软件,对宾汉姆体的... 详细信息

在预应力钢筋上连续包裹一层缓凝砂浆是新型缓粘结预应力混凝土体系得以工程应用的关键。为了弄清包覆过程,了解物料性能、加工条件和螺杆参数等输入变量对包覆输出结果的影响,基于缓凝预应力筋包覆试验,运用Polyflow软件,对宾汉姆体的缓凝砂浆在螺旋槽内流动和变形情况进行CFD(computational fluid dynamics)模拟。得到了可视化的速度场和剪切速率场,模拟了分析螺杆转速、螺杆几何参数对物料流变特性的影响。模拟结果可视,且直观地验证了包覆试验现象,揭示了包覆机理,为包覆装置可靠作业和结构优化提供了理论依据。

关键词：缓凝砂浆 Bingham流体螺旋输送计算流体力学(CFD) 可视化流场

基于遗传算法的SOBER-SJ10池沸腾传热研究

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工程热物理学报 2021年第7期42卷 1784-1790页

作者：刘鹏杜王芳吴克赵建福李会雄中国科学院力学研究所国家微重力重点实验室北京100190 中国科学院大学工程科学学院北京100049 西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室西安710049

基于遗传算法构建了沸腾过程中加热固壁一维瞬态导热反问题计算方法,采用具有精确解的半无限瞬态导热问题构造了一个校核算例,验证了该算法具有较高的准确度和抗干扰能力,能够准确反演计算沸腾传热瞬态热流密度。基于该算法分析了SOBER-... 详细信息

基于遗传算法构建了沸腾过程中加热固壁一维瞬态导热反问题计算方法,采用具有精确解的半无限瞬态导热问题构造了一个校核算例,验证了该算法具有较高的准确度和抗干扰能力,能够准确反演计算沸腾传热瞬态热流密度。基于该算法分析了SOBER-SJ10地面和空间实验中沸腾传热特性,结果表明微重力环境中单相传热被严重抑制,热流密度远小于地面数值;不同重力条件下核态沸腾传热曲线落在同一位置,显示出低热流密度时核态沸腾传热具有某种重力无关特征;但微重力条件下核态沸腾曲线起始于远低于地面的热流密度,同时在远比地面小的热流密度值时达到临界热流状态,并转变为过渡沸腾模式。

关键词：池沸腾微重力遗传算法单相传热热流密度