微重力下Marangoni效应在热管应用中的基础研究

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由表面张力梯度驱动的Marangoni对流是微重力流体科学的主要研究课题之一,在传热、晶体制备、冶金等研究领域有着重要的影响。在热管的运行中,由于纯液体的表面张力随温度升高而减小,传统的Marangoni对流表现为气液界面上由热端指向冷端的流动,这对热管内冷凝液体流回蒸发端是不利的。研究表明,一些二元溶液在一定的温度和浓度范围内表面张力随温度升高而增大,由此产生的由冷端指向热端的流动被称为逆Marangoni对流。将这种溶液作为热管工质,能够增加工质回流的流量,提高热管的性能。 本文利用吊片法对异丙醇、正丁醇、正戊醇水溶液在一定浓度和温度范围内的表面张力进行了实验测量,结果显示上述醇类的稀水溶液在40℃附近时,表面张力出现最小值,之后随着温度升高,表面张力随之增大,而且醇类分子中碳原子数目增加,表面张力增加的幅度更为明显。通过实验观察了小尺寸矩形液池内具有水平恒定温差的逆Marangoni对流的流动情况。建立了微重力条件下二维逆Marangoni对流的物理和数学模型,利用数值模拟得到了液池内的温度场和速度场;分析了温差、尺寸比、表面张力温度系数对流动作用规律以及在重力环境下与浮力对流相互耦合后的情形,结果表明逆Marangoni对流主要表现为界面附近由冷端指向热端的流动,且随着温差和表面张力温度系数的增加流动加剧,并导致界面的不稳定。与浮力对流耦合后,两种流动由于方向相反而相互抑制和削弱,并受到Bond数的影响,随着Bond数的增大,浮力对流逐渐占据主导地位,但逆Marangoni对流的影响也不容忽视。
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