微重力流體物理專題序

段 俐

(中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所微重力實(shí)驗(yàn)室,北京 100190)

(中國(guó)科學(xué)院大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院,北京 100049)

微重力流體物理主要研究微重力環(huán)境中流體的行為及運(yùn)動(dòng)規(guī)律以及重力變化對(duì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的影響.微重力環(huán)境中,浮力對(duì)流、重力沉降及分層、液體靜壓等極大地減小,地面重力效應(yīng)掩蓋的次級(jí)效應(yīng)凸顯,從而影響或改變流體運(yùn)動(dòng)機(jī)制與行為.微重力流體物理研究關(guān)注微重力環(huán)境(包括低重力環(huán)境)中液體、氣體或多相混合物以及分散體系等物質(zhì)的流動(dòng)、形態(tài)、相變及其運(yùn)動(dòng)規(guī)律和機(jī)理,特別是在微重力環(huán)境流體熱質(zhì)輸運(yùn)表現(xiàn)出的新現(xiàn)象和新規(guī)律以及物理形態(tài)變化表現(xiàn)出的新機(jī)制.微重力流體物理服務(wù)于航天器極端條件下的熱質(zhì)管理與輸運(yùn)、空間材料制備等空間應(yīng)用,具有極強(qiáng)的應(yīng)用背景,其典型科學(xué)問(wèn)題包括如下內(nèi)容.

(1)擴(kuò)散及輸運(yùn)現(xiàn)象

擴(kuò)散過(guò)程是自然界中普遍存在的不均勻的溫度場(chǎng)和濃度場(chǎng)趨于均勻化的過(guò)程.熱擴(kuò)散滿足Fourier 定律,即熱通量與溫度梯度成正比.濃度擴(kuò)散滿足菲克第一擴(kuò)散定律,即濃度通量與濃度梯度成正比.同時(shí)與溫度通量和濃度通量有關(guān)的擴(kuò)散是交叉擴(kuò)散,是耦合擴(kuò)散過(guò)程.濃度梯度對(duì)熱通量的貢獻(xiàn)稱為Dufour 效應(yīng),溫度梯度對(duì)濃度通量的貢獻(xiàn)稱為Soret 效應(yīng).

在重力場(chǎng)中,要獲得純粹的擴(kuò)散過(guò)程很困難,因?yàn)椴痪鶆虻臏囟葓?chǎng)或濃度場(chǎng)受到重力的作用會(huì)產(chǎn)生對(duì)流,擴(kuò)散過(guò)程與對(duì)流過(guò)程相互耦合在一起.在理論上依據(jù)擴(kuò)散方程研究擴(kuò)散問(wèn)題,擴(kuò)散系數(shù)是關(guān)鍵參量,地面難以精確測(cè)量.在微重力環(huán)境中,有可能產(chǎn)生純擴(kuò)散過(guò)程.擴(kuò)散問(wèn)題是微重力流體物理的典型科學(xué)問(wèn)題,精確測(cè)量擴(kuò)散系數(shù)和Soret 系數(shù)也是化學(xué)、生物、材料等學(xué)科領(lǐng)域的需求.

(2)對(duì)流

對(duì)流是自然界中普遍存在的現(xiàn)象.在地面重力環(huán)境中,由于溫度梯度或濃度梯度導(dǎo)致浮力驅(qū)動(dòng)的對(duì)流,即浮力對(duì)流.其驅(qū)動(dòng)形式是體積力,主要依賴于3 個(gè)無(wú)量綱參數(shù),Rayleigh 數(shù)、Prandtl 數(shù)、幾何參數(shù)比A.

在空間微重力環(huán)境中,Rayleigh 數(shù)被極大地減小,抑制了浮力對(duì)流的發(fā)生,其它對(duì)流過(guò)程突顯起來(lái),如表面張力梯度驅(qū)動(dòng)的對(duì)流過(guò)程,即Marangoni 對(duì)流,其關(guān)鍵的無(wú)量綱參數(shù)是Marangoni 數(shù)、Prandtl 數(shù)、幾何參數(shù)比A.Marangoni 對(duì)流是由于溫度梯度或濃度梯度引起表面張力驅(qū)動(dòng)的流動(dòng),其驅(qū)動(dòng)形式轉(zhuǎn)為表面力.微重力環(huán)境延長(zhǎng)擴(kuò)大了流動(dòng)從層流到湍流轉(zhuǎn)捩的時(shí)空尺度,可以研究流動(dòng)形成、發(fā)展、演化、至混沌的基本物理規(guī)律及湍流形成機(jī)理,探索混沌斑圖、亞渦胞、表面波的等非線性競(jìng)爭(zhēng)規(guī)律及影響機(jī)制等.Marangoni 對(duì)流模型很多來(lái)源于材料科學(xué)領(lǐng)域的晶體生長(zhǎng),因此Marangoni 對(duì)流研究不僅具有理論意義,而且有重要的應(yīng)用價(jià)值.

趙誠(chéng)卓等撰寫的《雙自由面溶質(zhì)-熱毛細(xì)液層的不穩(wěn)定性》論文采用線性穩(wěn)定性理論研究雙自由面溶質(zhì)-熱毛細(xì)液層對(duì)流的不穩(wěn)定性,得到了兩種負(fù)毛細(xì)力比(η)下的臨界Marangoni 數(shù)與Prandtl 數(shù)的函數(shù)關(guān)系,并分析了臨界模態(tài)的流場(chǎng)和能量機(jī)制.周游等撰寫的《高徑比對(duì)GaAs 熔體液橋熱毛細(xì)對(duì)流失穩(wěn)的影響》論文以材料科學(xué)為背景,基于譜元法線性穩(wěn)定性分析,研究高徑比對(duì)GaAs 熔體(Pr=0.068)液橋熱毛細(xì)對(duì)流失穩(wěn)的影響,同時(shí)結(jié)合能量分析揭示了熱毛細(xì)對(duì)流的失穩(wěn)機(jī)制.

(3)液滴和氣泡動(dòng)力學(xué)

液滴是自然界中一類典型和普遍存在的物質(zhì)形態(tài),液滴的平衡、遷移和運(yùn)動(dòng)、以及液滴之間的相互作用等一直都是流體力學(xué)的研究熱點(diǎn).對(duì)液滴運(yùn)動(dòng)規(guī)律的探索,實(shí)現(xiàn)液滴的主動(dòng)驅(qū)動(dòng)控制,是近幾年提出的新理論和新思想.在微重力環(huán)境下,液滴的行為具有新的特性.重力場(chǎng)不再是驅(qū)動(dòng)液滴運(yùn)動(dòng)的主要作用場(chǎng),溫度場(chǎng)、電磁場(chǎng)、濃度場(chǎng)等引發(fā)的液滴界面張力不均勻,使液滴產(chǎn)生毛細(xì)遷移運(yùn)動(dòng),具有新現(xiàn)象和新規(guī)律.研究并掌握液滴熱毛細(xì)遷移規(guī)律,對(duì)實(shí)現(xiàn)液滴的驅(qū)動(dòng)控制非常重要,不僅有重要的學(xué)術(shù)意義,同時(shí)具有廣泛的應(yīng)用背景.在空間合金制備、兩相分離、晶體生長(zhǎng)、空間玻璃制備、空間液滴燃燒與消防安全、空間流體管理等方面有著巨大的應(yīng)用價(jià)值.葉致君等撰寫的《激光驅(qū)動(dòng)液滴遷移的機(jī)理研究》論文主要研究激光驅(qū)動(dòng)液滴遷移的物理機(jī)制,探索界面張力作用機(jī)理,獲得了激光驅(qū)動(dòng)液滴遷移的規(guī)律,探索出對(duì)液滴的驅(qū)動(dòng)控制方法.

(4)毛細(xì)界面平衡問(wèn)題

物質(zhì)各相之間的界面現(xiàn)象對(duì)于物質(zhì)的行為有極大的影響.在界面上,分子的內(nèi)聚力會(huì)產(chǎn)生界面張力,它有調(diào)節(jié)界面面積的作用,當(dāng)界面面積達(dá)到極小,相應(yīng)的靜平衡狀態(tài)是穩(wěn)定的;當(dāng)界面的面積極大,對(duì)應(yīng)不穩(wěn)定狀態(tài).除溫度和濃度外,引起界面張力變化的另一個(gè)因素是界面形變.界面曲率引起界面張力的變化不僅影響平衡的穩(wěn)定與否,對(duì)體系的化學(xué)勢(shì)也產(chǎn)生影響.

微重力條件下,重力作用基本消失,液體界面張力、內(nèi)聚力等次級(jí)力占主要地位.在航天工程中,液體推進(jìn)劑貯箱作為推進(jìn)系統(tǒng)的重要組成部分,其主要作用是為推進(jìn)器提供純的推進(jìn)劑,實(shí)現(xiàn)航天器的調(diào)姿、變軌、對(duì)接等.研究流體界面重定位過(guò)程,認(rèn)識(shí)微重力環(huán)境大尺度毛細(xì)驅(qū)動(dòng)機(jī)理,了解非理想狀態(tài)、非常規(guī)模態(tài)界面過(guò)程的新現(xiàn)象以及新規(guī)律,是突破航天工程推進(jìn)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)并實(shí)現(xiàn)板式貯箱在軌應(yīng)用的關(guān)鍵.

陳上通等撰寫的《微重力下成一定夾角平板間的表面張力》論文瞄準(zhǔn)板式表面張力貯箱板式組件在微重力環(huán)境中對(duì)流體管理的作用,研究微重力環(huán)境中成一定角度平板間的表面張力驅(qū)動(dòng)流動(dòng)問(wèn)題.考慮了液體與壁面的動(dòng)態(tài)接觸角、對(duì)流引起的壓力損失、黏滯阻力、液池內(nèi)彎曲的液面等因素的影響,推導(dǎo)出液體爬升高度的二階微分方程.為板式貯箱的研制和空間流體管理提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐.

(5)多相流

多相流是研究?jī)煞N或兩種以上相的介質(zhì)混合體的流動(dòng)特征.作為流體力學(xué)系統(tǒng),研究的比較多的是液氣兩相混合的兩相流過(guò)程.多相流體系中受到多種力的作用,如重力、界面張力等.在重力場(chǎng)中,重力起重要作用.在微重力環(huán)境中,消除了重力影響,更有利于研究多相流的相互作用.探索微重力條件下的多相流體系相分布、流動(dòng)演化及多相耦合的熱質(zhì)輸運(yùn)規(guī)律,發(fā)展高效絕熱技術(shù)及熱轉(zhuǎn)移技術(shù),實(shí)現(xiàn)空間多相分離、供液等.研究微重力多相流問(wèn)題,在航天工程中具有重要的應(yīng)用價(jià)值.

(6)復(fù)雜流體問(wèn)題

復(fù)雜流體一直是國(guó)際上微重力流體物理研究領(lǐng)域的重要方向,基于軟凝聚態(tài)物質(zhì)的制造、材料的膠體微結(jié)構(gòu)組裝是該方向研究得最為豐富和深入的內(nèi)容.復(fù)雜流體是非單一相的,常包含介觀尺度的微粒,可形成某種內(nèi)部結(jié)構(gòu)的流體,是常見的、影響廣泛的物質(zhì)形態(tài).軟凝聚態(tài)系統(tǒng)包含多級(jí)相互作用的結(jié)構(gòu)和功能,在外部刺激下呈現(xiàn)跨尺度集體協(xié)同行為.在地面重力條件下,沉降、對(duì)流、分層、靜壓力等效應(yīng)常會(huì)掩蓋復(fù)雜流體自身的行為特征,一些復(fù)雜微結(jié)構(gòu)難以穩(wěn)定甚至無(wú)法形成,大大影響了對(duì)復(fù)雜大尺度微結(jié)構(gòu)形成過(guò)程基本規(guī)律的認(rèn)識(shí),限制了具有特殊功能的微結(jié)構(gòu)功能材料的組裝和應(yīng)用.

微重力環(huán)境有效抑制了顆粒沉降和浮力對(duì)流作用,為實(shí)現(xiàn)大尺度三維組裝提供了可能.空間微重力環(huán)境下,復(fù)雜流體中顆粒相互作用機(jī)制、局域微流動(dòng)對(duì)多顆粒相互作用的影響以及多級(jí)復(fù)雜微結(jié)構(gòu)形成過(guò)程中的相互作用都是復(fù)雜流體領(lǐng)域重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題.張祺等撰寫的《轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)圓角立方體顆粒有序堆積的離散元模擬》論文研究顆粒受圓角立方體容器往復(fù)旋轉(zhuǎn)剪切作用實(shí)現(xiàn)的有序堆積,探究顆粒有序堆積過(guò)程的內(nèi)部結(jié)構(gòu)演化和動(dòng)力學(xué)機(jī)理.給出了體積分?jǐn)?shù)和有序度參數(shù)在容器不同運(yùn)動(dòng)條件下隨旋轉(zhuǎn)次數(shù)增加的變化規(guī)律;發(fā)現(xiàn)在亞重力環(huán)境下立方體顆粒同樣可以通過(guò)容器的旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)有序堆積,重力加速度的減少會(huì)抑制立方體顆粒從無(wú)序堆積向有序堆積的轉(zhuǎn)變.