分层液体的失稳现象广泛存在于很多领域内,如海洋中环流分布和热传输、金属合金凝固过程、晶体生长过程和液化气体储罐内部翻滚等。其本质是液体在热/组分浮力作用下的双扩散自然对流。对其进行研究可以有效预防工业生产中失稳带来的危害。现阶段,尚不明确在初始浮力比等参数影响下,分层系统失稳过程的详细特征。本文通过分层实验研究分层系统失稳演化过程,通过改变分层系统的壁面热通量、层间初始质量分数差等实验条件,对实验过程中的失稳流动形态改变、温度变化和超压现象进行分析,总结失稳过程中的分界面迁移、失稳发生时下层溶液的能量积累和压力阶跃规律。进一步揭示无量纲参数初始浮力比R_ρ在分层系统失稳过程中的重要作用。主要工作如下:(1)搭建可视化的实验平台,配置NaCl溶液构造分层系统。可视化容器壁面处安装有加热片来模拟外界环境漏热,通过交流变压器调节热通量。配备热电偶和压力传感器采集温度/压力数据、摄像机采集流动形态变化。(2)保持底部热通量恒定,改变侧壁热通量和层间初始质量分数差,分析分层系统在不同初始条件下失稳流动形态转变、分层界面迁移和分层系统稳定性等变化规律。结果表明其受到外界漏热和层间质量分数差的共同影响:层间质量分数差增大会增强分层系统稳定性;而在外界漏热影响下,产生的浮升力会破坏分层系统的稳定。不同的侧壁热通量和质量分数差下,分层系统稳定性不同,失稳时混合区出现位置不同,形成不同的失稳流动形式,影响分界面迁移速度。(3)通过分析不同侧壁热通量和层间质量分数差下溶液温度变化数据,研究分层系统失稳过程中的温度变化特征和下层液体积聚能量变化规律。结果表明,分层界面阻隔了上下层溶液间的能量传递,下层溶液受热后能量无法释放,积聚在溶液内部。失稳发生时两层溶液混合,下层溶液能量大量释放。随着层间初始质量分数差的增大,穿透发生时下层液体积聚能量越多;随着侧壁热通量增大,穿透发生时下层液体积聚能量减少。(4)通过提高下层溶液漏热率,增加下层溶液积聚的能量,改变层间质量分数差和容器内部初始真空度,研究在不同初始条件下分层系统失稳过程中的压力阶跃现象。结果表明,分层系统失稳发生时,下层溶液能量大量释放,液体剧烈蒸发,容器内气相空间的压力上升速率会快速攀升并达到峰值,发生压力阶跃。层间初始质量分数差较大时,压力阶跃现象更加剧烈;气相空间不凝气组分增加,失稳时压力阶跃强度增强。