微重力下不同几何形状容器内的毛细流动特征

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微重力环境中流体的毛细驱动流问题是空间流体管理应用技术的重要的基础性研究课题。为了保证空间流体管理装置的安全高效运行,为提高未来空间流体科学实验的液面控制技术,就必须深刻理解微重力环境中流体的毛细驱动流特征。   本文设计了不同几何形状的容器,并做了一系列的微重力落塔实验,通过分析CCD记录的落塔实验图像,研究了微重力下不同几何形状容器内的毛细流动特征。本文的研究内容主要分为两个类型:微重力下容器圆形倒角处的毛细驱动流、微重力下环形容器内的流体界面形貌。通过分析基于本实验的条件下获得实验数据,研究发现微重力下容器圆形倒角处的毛细驱动流的过程可分为三个阶段即惯性力主导阶段L∝t、过渡阶段以及粘性力主导阶段L∝t1/2。液体的物性参数对容器圆形倒角处的毛细驱动流的影响分析表明:表面张力系数σ越大、密度ρ越小并且动力粘性系数μ越小,液体在惯性力主导阶段爬升的高度就越高。σ越大、ρ越小,特征时间t1就越小,μ对t1没有影响;在过渡阶段,ρ的影响逐渐减小,μ的影响逐渐增强;在粘性力主导阶段,液体粘性对爬升速度有显著影响,μ越小,液体爬升速度越快。   本研究分析了圆角半径大小对圆形倒角处的毛细驱动流的影响:容器圆角半径R的大小对液体在惯性力主导阶段爬升的高度和速度几乎没有影响,对t1没有影响;在过渡阶段,R的影响逐渐加大;粘性力主导阶段,R对毛细爬升速度有显著影响,R越大,液体爬升的速度越慢。在圆形倒角处涂上防爬液,将是空间流体实验时进行液面控制的简单有效方法。微重力下环形容器内的流体界面形貌的研究结果发现,对同轴的环形容器而言,若不采取液面控制措施,微重力下液面明显弯曲并沿壁面缓慢爬升,导致实验观测失真;在液面上部的容器壁面上涂防爬液将增大硅油与壁面的接触角,可使液面保持水平。环形容器的同轴度直接影响微重力下液体的界面形貌,液体沿着壁面间的较小间隙处爬升,间隙越小,爬升速度越快。
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