Investigation of the Coupling Mechanism of Thermocapillary Convection and Phase-change Heat Transfer

本文以微重力环境中的流体界面过程以及空间两相系统基础科学和应用技术研究为背景，依托国家自然科学基金重点项目“微（变）重力环境下复杂界面流体传输特性与流动稳定性研究”、实践十号卫星(SJ-10)“蒸发与流体界面效应空间实验研究”项目和货运飞船(TZ-1)“两相系统实验平台关键技术研究”空间蒸发冷凝实验项目，分别以具有相变气液界面的水平液层和附壁蒸发液滴为主要研究对象，利用数值模拟和空间实验方法研究了微重力和重力条件下热毛细对流与相变传热耦合机理。 首先，建立了易挥发性液体在水平方向加热的封闭方腔和开放方腔内的两相系统相变热毛细对流双边模型，描述热毛细对流、浮力对流、相变界面传热传质以及蒸气对流扩散之间的相互影响。建立了考虑界面相变传热以及蒸气扩散的两相系统一维理论分析模型，对比了数值计算结果。在封闭系统相变热毛细-浮力对流中发现了四种主要流型：稳态单涡胞对流SUF、稳态多涡胞对流SMC、热液波HTW和振荡多涡胞对流OMC，并给出了随着热毛细效应和浮力效应变化的对流失稳和流型转化中性稳定性曲线。通过改变Marangoni数和动力Bond数，研究了热毛细效应和浮力效应对气液两相流动以及界面相变传热传质的影响，发现热毛细效应的增强使得原本线性分布的气液界面温度和相变质量流量出现波动，从而诱导了气液两相多涡胞结构的生成；浮力效应的增强加速了流体流动，气层出现上下分层现象，液层的多涡胞结构被抑制，对流趋向稳定。开放系统数值模拟结果表明，强蒸发与冷凝效应降低了界面温度不均匀性，从而使流动趋于稳定。 数值研究了振荡相变热毛细对流的起振过程、不稳定性特征和对流转捩途径。发现热液波不稳定性以行波的形式在气液界面（速度、温度、质量流量）以及液相流场和气相流场内（对流涡胞）从冷端向热端传播，详细阐述了热液波的生成机理与传播规律。计算了高Marangoni数下的振荡相变热毛细对流，发现了对流转捩过程中的二次稳定现象，结果表明，随着温差的增大，驻波形式的振荡逐渐增大直到热液波完全消失，经过短暂的二次稳定区间后，振荡基频突增，随后经过准周期振荡达到混沌状态。 数值分析了无界面相变效应的纯热毛细-浮力对流模型，并与考虑界面相变传热和蒸气扩散的热毛细对流进行了对比。结果表明，界面相变传热（蒸发吸热与冷凝放热）降低了界面平均温度梯度，从而使界面热毛细效应减小，阻滞了液层内多涡胞结构的生成和振荡对流的起振，起到稳定对流流动的作用。 基于实践十号卫星液滴蒸发对流实验，在地面常重力环境和空间微重力环境中开展了不同环境压力、不同底板加热温度、不同基座材料和不同初始注液量的液滴蒸发实验，利用高清CCD观测了蒸发液滴形貌变化，利用热流量传感器测量了蒸发过程中底板的热流密度，同时，开发了液滴形貌分析软件，实现对液滴图像的处理和液滴形貌参数的计算。首次在空间微重力环境下，观测到了大尺度液滴蒸发全过程，获得了空间液滴浸润特性以及蒸发速率等重要科学数据。通过对比地面实验结果，研究了重力对液滴蒸发传热与对流的影响。实验结果分析表明：空间微重力条件下的液滴呈球冠形，在蒸发过程中先后经历了接触线保持不动阶段和成膜后的快速蒸干阶段。基座的导热性能越强、环境压力越低、底板加热温度越高，液滴的蒸发速率越快。空间实验首次证实了液滴内部和外部混合气体中浮力对流的缺失严重恶化了底板对大尺度液滴的能量供给以及界面附近蒸气的扩散效率，导致蒸发速率大幅下降。