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《力學(xué)與實(shí)踐雜志》2015年第六期

摘要：

實(shí)踐十號蒸發(fā)對流實(shí)驗(yàn)以微重力環(huán)境中的蒸發(fā)相變流體界面過程為主要研究內(nèi)容，利用空間微重力條件下浮力對流消失和熱毛細(xì)對流起主導(dǎo)作用的特殊環(huán)境，實(shí)驗(yàn)研究置于加熱底板的蒸發(fā)液滴相變過程中表面蒸發(fā)與表面張力驅(qū)動對流的耦合機(jī)理。利用研制的空間蒸發(fā)對流裝置完成了在軌工況的科學(xué)匹配實(shí)驗(yàn)，得到了不同工況（溫度、液滴大小、加熱底板材料）下蒸發(fā)液滴形貌和熱流量、蒸發(fā)速率等變化規(guī)律。為后續(xù)空間實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比對分析提供了前期結(jié)果。

關(guān)鍵詞：

液滴，相變傳熱，熱毛細(xì)效應(yīng)，微重力，空間實(shí)驗(yàn)

1、科學(xué)實(shí)驗(yàn)的研究目標(biāo)和研究意義

“蒸發(fā)與流體界面效應(yīng)空間實(shí)驗(yàn)研究”（SJ-10-A1-1）是我國實(shí)踐十號科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星的微重力流體物理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目之一，項(xiàng)目前期與法國空間研究中心（CNES）開展了IMPACHT合作項(xiàng)目的落塔和失重飛機(jī)等聯(lián)合實(shí)驗(yàn)研究[1-2]。該項(xiàng)目針對空間應(yīng)用兩相流體與傳熱系統(tǒng)的工程背景和國際微重力流體物理研究熱點(diǎn)，利用空間長時(shí)間微重力環(huán)境研究具有蒸發(fā)相變界面的流體系統(tǒng)熱、質(zhì)傳輸特性，實(shí)驗(yàn)觀測研究液滴蒸發(fā)過程中的相變蒸發(fā)效應(yīng)與表面張力驅(qū)動對流的相互作用規(guī)律。主要科學(xué)研究內(nèi)容如下：（1）利用微重力條件，獲得“蒸發(fā)-熱毛細(xì)對流”界面熱、質(zhì)輸運(yùn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，認(rèn)識空間蒸發(fā)界面現(xiàn)象和傳熱傳質(zhì)的特殊規(guī)律；（2）研究重力變化對蒸發(fā)相變傳熱過程的影響，為相關(guān)空間兩相系統(tǒng)與相變傳熱的工程應(yīng)用提供基礎(chǔ)理論。

2、空間實(shí)驗(yàn)的研究內(nèi)容簡介

本項(xiàng)目將利用所研制的蒸發(fā)對流空間實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)（“蒸發(fā)對流箱”），搭載SJ10衛(wèi)星開展空間長時(shí)間微重力環(huán)境下蒸發(fā)液滴相變傳熱過程中的熱質(zhì)傳輸特性，觀測液滴蒸發(fā)傳熱過程與表面張力驅(qū)動對流的耦合作用現(xiàn)象。實(shí)現(xiàn)空間微重力環(huán)境中的附壁（控溫固壁底座）液滴成形和蒸發(fā)過程；實(shí)現(xiàn)空間蒸發(fā)液滴實(shí)驗(yàn)參數(shù)（如底座加熱溫度溫度、液滴注入體積、蒸發(fā)氣體環(huán)境等）的在軌控制，達(dá)到預(yù)定實(shí)驗(yàn)工況，觀測空間液滴蒸發(fā)過程中的形貌與接觸角變化，獲得空間液滴蒸發(fā)速率、熱流量和溫度等科學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

3、空間實(shí)驗(yàn)裝置與地面對比實(shí)驗(yàn)

研究項(xiàng)目組已完成了空間蒸發(fā)對流實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)的電性件、鑒定件和飛行件（見圖1-2）研制工作，分別完成了相關(guān)的系統(tǒng)級試驗(yàn)和地面科學(xué)匹配實(shí)驗(yàn)，獲得了地面蒸發(fā)液滴形貌變化（見圖3-4）等科學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并將與未來的在軌空間實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比對分析，定量分析重力變化對蒸發(fā)傳熱傳質(zhì)規(guī)律的影響。

4、結(jié)論

本項(xiàng)空間實(shí)驗(yàn)可望獲得寶貴的科學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，所獲得的微重力環(huán)境中流體相變傳熱基本現(xiàn)象和特殊規(guī)律的研究結(jié)果，將豐富流體復(fù)雜界面動力學(xué)與相變傳理論，并為深空探測與載人航天工程中的空間熱流體設(shè)備設(shè)計(jì)開發(fā)提供理論依據(jù)。

作者：解京昌 朱志強(qiáng) 林海 陳雪 徐國峰 高源 單位：中國科學(xué)院力學(xué)研究所 中國科學(xué)院大學(xué)