微重力下的两相流动和传热及其研究方法

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2.1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。2.2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。2.3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。2.4微重力下的气液两相流动换热RaymondW.Rite〔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。被研究的流率范围包括表观液相速度在0.1~3.0m/s表观汽相速率在0.2~17m/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%,且换热系数变化的这种转变点发生在液相表观速率约为0.35m/s的地方。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,传热系数没有严格的变化,当明显的传热系数的变化被测量到时,μ-g和l-g数据之间流型的主要变化却并非一直是很明显的。同时也发现,微重力下增加气相速率会引起由一种流型向另一种流型比l-g下更早地发生转变,而且塞状流型仅出现在一些l-g的数据中,然后对更大的流型差别却没有广泛的数据。标准化的传热系数差别确实呈现出与流型相关。在一些流型中,当重力出现或消失时,流型比其他情形更加受影响。特别地,弹状流型和某种程度上的环状流动似乎受重力水平的强烈影响。在弹状流中对这种模式一种可能的理解包括液体的长度以及这种长度如何被重力所影响,在环状流中液膜厚度受重力影响,因此可能影响传热,显然,重力的水动力影响、表面张力和其他相关力的影响将需要更充分的研究以确定报道中微重力条件下传热系数变化的确切原因。3微重力下气液流动的主要流型、换热及对薄液膜的分析3.1泡状流在地面上的竖直管中,大气泡上升得比小气泡快,因此一个大的气泡将充当一个真空清洁器的作用,它可以同它上面的小气泡相联合,最终成长为同它的管子直径相同的尺度。这种情况在微重力下却不会发生。主要区别是,在微重力下气液相相对速率在当地的平均值几乎为零,然而l-g下在静滞流体中,它与典型气泡的上升速率有着相同的量级,因此,相邻气泡之间的合并在太空中更不经常。然而强的剪切力(如大的泵压力、大的Re数等)将引起分裂,由于混合物处在一个封闭的循环系统中,因此过一段时间后,人们期望一个完整的气泡以平均密度和速率形成几乎一致的分散。它由于壁面剪切效果而变化很大,这是一个相当的简化,它可能允许对压降和空泡计算进行简化处理〔3〕。这等价于漂移热流模型〔4〕,对当地相对速率。3.2弹状流当气相成分增加时,在气弹的中心部分将有一个几乎静止的液体壁面膜,也保证了壁面是完全润湿的。如果壁面润湿性很差,如水银-氮气流,紧贴壁面的不对称气弹就出现了,在微重力下,这些气弹可能是静止的。所以无论润湿性好坏如何,沸腾过程甚至在环状流达到以前就可以引起烧毁,因此撕裂壁面膜的能力和它的润湿倾向在决定临界热流通量时非常重要。3.3环状流在等温层状完全润湿壁面的气—液流动中,通过线性分析可知,壁面膜是不稳定的,这对湍—湍流动可能是真实的。因为恢复力很弱,所以液滴从自由交界表面以及壁面上再沉淀;另外,如果壁面膜在蒸发,它最终会变得不稳定和被撕裂,它能分裂成细小的流形,这仍然能提供有效的冷却。对湍流剪切力,同氮气-氟里昂同向流一样,一个过渡态蒸干-再湿区域可能在细小流形发展之前就能碰到,壁面润湿性又变得重要了。3.4微重力下的热毛细效果在微重力情况下,热毛细效果在气液两相流中能够居于支配地位,当Marangoni数和其他参数一样增加时,热毛细流量能够发展成为三维赖时性并且最终变得杂乱,重力回波起伏的效果能够额外地被强加上去。一个蒸发压降可以建立一个表面温度梯度,直到达到引起内部混合的临界Marangoni数;另一方面在流体层中的热毛细流可以被非平面的流动振动或激光脉冲所稳定,同样可以引起被截流的气泡从溶解状态中移动出来,通过在液体中强加一个平均温度梯度,气泡倾向于游向温度更高的区域。3.5对微重力下气液两相流动中薄液膜的分析在完全润湿的壁面上自然呈现出的弹状流和环状流中,其壁面上形成的液膜给出很好的热质传递效果,但它的撕裂和蒸干却会引起设备的过热。非常薄的液膜将从过冷受迫核态沸腾壁面上形成的气泡中分离开来,如果这些引起成长或消失过程中附着在核态沸腾壁面上的气泡作用于小型热管上,那么它们至少是引起地面上观察到的高热流通量的原因。正如火箭的发动机喉部的冷却一样,这些膜也呈现出很多其他的内容。4微重力条件下的两相流动和传热的主要研究方法微重力条件下的两相流动和传热规律的主要研究方法包括飞行器或航天器试验法、落塔试验法、计算机模拟法和地面等效模拟试验法等。4.1飞行器、航天器试验法即通过飞行器或航天器的飞行来直接产生微重力条件从而获得微重力下的数据,以此获得微重力下的两相流动和传热规律。对于这种测量方法一个需要说明的非常重要的问题是:两相受迫对流“准静态”传热系数能否由于短时微重力在飞行器上被测量出来,进行飞行试验的系统是否反应足够快以允许各种参数的测量。因为在两段微重力之间有一个超重阶段,由微重力变至超重和由超重变至微重力均有一个过渡时间的问题,两相流动和传热各种参数的动态反应时间只有远小于过渡时间和微重力时间的情况下才能准确地测量出各种动态结果。4.2落塔试验法即通过落塔让系统自由下落来产生微重力环境,从而获得微重力下的两相流动和传热规律。这是比较常用的一种研究方法,如WashingtonStateUniversity的0.6s和2.1s的落塔。0.6s落塔原先的目的是为了WSU2.1s落塔设计和建造提供1¨4比例的模型,然而在合理安排下,它能提供短时微重力试验,并已经广泛用作新的思想和试验设计的实验设施。落塔的下落距离是2.13m高,带气包,气包的尺寸是45.72cm×45.72cm×91.44cm,试验的最大减速水平大约为3g,低重力水平计算大约为10-3g。WSU0.6s落塔气包主要由三部分组成:一个释放恢复系统、一个拖曳保持系统和一个气包减速系统。WSU2.1s落塔是由一个电梯改装而成的,它通过一个带更新的气包减速系统的拖曳罩以及一个尖锥形释放机械系统提供的低重力加速度约10-4g,并且撞击减速度降至约15g(NASA的实用沙盒系统的减速水平高达70g),释放振动约+/-5g的水平。它在不同高度进行落塔试验的能力与现今世界上的任何一个其他落塔都不同,它能以小至5~8g的减速度提供一个1.2s的下落时间。4.3计算机模拟法为节约太空试验的巨大成本起见,地面上的计算机模拟有一个潜在的优势。该方法即运用计算机模拟微重力试验中的情形并且进行计算。这种研究方法虽然耗用硬件成本较低但所需的软件成本却较高,而且在现在微重力两相流动和传热理论还远不成熟的情况下,进行计算机模拟的方法存在着重重的障碍:一在其理论建构难度;二在实践验证上,而实践验证则必须采用前面两种方法进行。尽管如此,基于循序渐进的原理,对于一些已经有比较系统了解的部分,进行计算机模拟确实可以获得事半功倍的效果。4.4地面等效模拟试验法进行太空中多相流试验固然能够获得长时间的、稳定的微重力条件,但其运行费用相当昂贵。飞行器和落塔虽然也为微重力试验提供了研究工具,但有一些局限性,如比0.01g小些的加速度很难维持,处理可比较量级的重力回波起伏通常要有经验,微重力持续时间较短,而且同地面上的静态设施相比,费用高得多。此外由于安全的原因,仅仅只能使用有限的几种流体作为工作介质,因此,相比之下进行地面等效模拟试验有着广阔的前景。地面等效模拟试验可以分为两种,一种即常规的通过无量纲准则确定模型同实物的相似来模拟;另一种不妨可以称为极限模拟方法,它抓住主要因素,通过地面试验条件来逼近微重力下的情形,从而直接获得微重力下的两相流动规律。这两种方法都是行之有效的。按比例模拟的观点是在保留主要比例的同时广泛地区别对待居主导地位的因素,即选用影响两相流动和传热的核心准则来使之不变,比如Bo=aD2Δρσ,它表示体加速度力与表面张力之比。这个比例表明,除了改变加速度之外,还可以改变管径,它在Bo数中是二次幂。特别地如果管径减少到1/10倍,那么Bo数就减小到原来的1/100,这就暗示了在地面上可以用2.5cm的管径来模拟太空中管径为25~100cm的原型系统,这种地球上的数据能够同飞行试验中相同的数据进行比较,一些太空上受局限的设备可以在地面上安全地使用范围很广泛的各种流体工质进行试验,而且进行试验的费用也不昂贵。极限模拟法即通过逼进的方法来等效模拟微重力下的两相流动和换热。参考文献1CasademuntJ,ZhangW,VinalsJ,SekerkaRF.StabilityofaFluidSurfaceinaMicrogravityEnviron-ment.ALAAJournal,1993,31:20272RiteRaymondRezlallahW,S.KamielHeatTransferCoefficentsduringTwo-Phase,Gas-LiquidFlowinaCircularTubeunderMicrogravityConditions.AIAA-93-28513BankoffSG.VariableDensitySingle-FluidModelforTwo-PhaseFlowwithParticularReferencetoTwo-PhaseFlow,JHeatTransfer,1960,82C:2654ZuberN,FindleyJA.AverageVolumetricConcentration