微重力环境下球形贮箱内角处毛细流动的研究

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在微重力的条件下,流体的毛细驱动流问题是在空间流体管理应用技术中基础性研究课题的最重要部分。如果使得空间流体管理装置能够安全且高效的运行,需要深入了解微重力环境下毛细驱动流的特征。基于此原因,本文对微重力环境下球形贮箱的球形壁面与内侧导流板所夹内角处的毛细流动问题进行了研究,并做了相应的理论分析和数值模拟。利用Fluent软件对球形贮箱内角处毛细驱动流进行数值模拟,研究了不同参数对内角流动的影响规律。分析了微重力环境下,球形贮箱内角处毛细流动的Concus-Finn条件;得到了在满足Concus-Finn条件情况下,液体爬升的前缘位置与初始液面高度无明显关系,但随着表面张力系数、容器中心角的增大而增高,随着流体动力学粘度、流体密度以及容器半径的增大而减小的结论。基于流体力学的Navier-Stokes方程和连续性方程,建立了球形贮箱内角处毛细驱动流的控制方程。以容器壁面液体无滑移和液体自由液面无应力的特点作为边界条件,采用摄动法将毛细流动的控制方程和边界条件进行简化。基于辅助方程法的思想,将该非线性偏微分动力学问题转化为常微分方程的边值问题。以级数解的形式获得内角流动的近似解析解,进而得到级数解的递推公式。本文所做工作,可为空间流体管理所需容器的形状设计和所携带流体的选择提供理论依据。
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