空间环境下非重力效应主导的气液相间耦合机理及模型研究

Gas-liquid two-phase flows are widely used in aerospace engineering processes, including the large-scale energy transfer system, active thermal control system and environmental control and life support system, etc. However, the lack of gravity force in the space environment changes the phasic interaction modes between the gas and liquid phases, resulting in different flow patterns and heat transfer mechanisms from those on the ground. Thus, an urgent task in the gas-liquid flow research area is to build reliable numerical models and modeling methods for microgravity condition, in order to accurately predict/analyze the phase distribution and evolution as well as the heat transfer characteristics in the space environment. To this end, this project aims to solve the generalized problems encountered in the gas-liquid flow modeling under microgravity condition. The phasic interaction mechanism between the two phases is to be carefully studied and the force balance will be rebuilt based on the physical characteristics of gas-liquid flow under low levels of gravity force. New interphase force models with gravity independent interphase coupling parameters are to be proposed concerning two main points, e.g. the phase distribution patterns and the bubble adhesion/departure dynamics. By introducing these models to the present two-fluid model frame, a macro numerical method for gas-liquid flows will be produced. It can be used for studies of gas-liquid flow dynamics, fluid management, phase change and heat transfer analysis in the space environment, by providing theoretical basis for the related engineering applications.

气液两相流在航天工程的大规模能量传递、主动热控、环境控制与生命保障等过程中担任重要角色，然而重力缺失改变了空间环境下气液相间的相互作用模式，使得两相流动和传热机理与地面上有本质不同。空间两相流研究目前迫切需要建立可靠的数值模型和模拟方法，以准确预测气液相分布与演化过程和沸腾传热特征。为此，本课题针对空间微重力条件下气液两相流动数值建模的共性问题开展研究，从物理本质上探究微重力下气液相间的相互作用机理，重新构建气液相间的力学平衡关系，寻求非重力效应主导的相间耦合依据或核心控制参数，建立能够描述空间气液相分布与演化、气泡粘附与脱离动力学特征的相间作用模型，并结合已有的两相流模型框架，形成空间气液两相流的宏观模拟方法，为研究空间气液两相动力学过程、流体管理、相变及传热分析等提供理论依据。

本项目针对空间环境下非重力效应主导的气液相间耦合机理及界面动力学开展研究。对微重力环境下宏观气液两相流动，分析非重力效应主导的相间耦合机理、界面演化机理，提出新的相间模型，准确预测分析空间极端条件下的两相作用、相分布与和传热传质。项目完成四方面内容，1）气液两相流动的相间关键模型研究。理论分析了气液两相相对运动过程的力学控制机理，确定非重力效应的两相耦合参数，形成了非重力控制的主要相间作用力模型；2）微重力条件下单气泡的界面力学平衡与传热研究。着重针对微重力（零重力）环境下的气泡生长和收缩过程，建立相间质量和动量传递方程，形成了一套气泡生长的非稳态动力学模型，并完成数值计算和动力学分析；3）常重力条件下单气泡的生长与强化脱离动力学研究。针对冷态条件下单气泡在壁面的粘附和脱离动力学开展实验研究，考虑了气泡在壁面的不同生长方向，通过观测气泡生长与脱离过程中主要作用力的不同叠加方式，试图剥离重力的影响。4）强迫对流过冷沸腾气泡与壁面的粘附和脱离动力学研究。考虑了管内的过冷沸腾过程，采用RPI方法，将热量分配与气泡的生长参数联系起来，验证宏观两相沸腾传热模型的准确性，着重关注气泡核心密度、气泡脱离直径和脱离频率等关键参数。由于微重力条件下的实验数据缺乏，本项目研究过程中将过冷沸腾条件提高到强迫对流区域，减弱重力的影响，相应地，所寻求的气泡有关的动力学模型也考虑摆脱重力的影响。.通过本项目的基础研究，深化了对于非重力效应主导的气液相间作用的理解，同时从理论上建立了可靠的分析模型，优化了沸腾传热过程与汽泡相关的关键模型组合，这对空间热控设备和流体管理技术的进一步优化和发展，提供了理论和数据支持。