微重力條件下幾個關鍵力學問題

《微重力條件下幾個關鍵力學問題》是依託中國科學院力學研究所，由胡文瑞擔任項目負責人的重點項目。

基本介紹

• 中文名：微重力條件下幾個關鍵力學問題
• 項目類別：重點項目
• 項目負責人：胡文瑞
• 依託單位：中國科學院力學研究所

項目摘要

微重力是一種極端環境，這種環境為研究地面上難於研究的重大自然科學問題提供了機遇。載人空間站的主要任務是進行空間微重力實驗。微重力科學是我國空間科學發展規劃三大領域之一，也是我國載人航天工程專項中空間利用的主要內容。. 本項目選擇幾個關鍵的微重力力學問題，研究熱毛細對流的轉捩過程、Marangoni對流的轉捩過程、以及毛細流動和液面控制，進行有特色的研究。本項目申請團隊對這幾個問題都進行了多年的研究，並取得一些較好的學術成果。目前國際上的研究大多集中於熱毛細對流和Marangoni對流第一次分岔過程，以及靜態的毛細現象和界面控制。本項目將通過理論與實驗（包括落塔實驗）相結合，側重於研究一次分岔以後的轉捩過程，以及有流動的毛細流動和界面控制。預期可以取得一些重要的學術成果，同時為篩選我國空間微重力科學實驗項目作準備。

結題摘要

微重力是一種極端環境，這種環境為研究地面上難於研究的重大自然科學問題提供了機遇。載人空間站的主要任務是進行空間微重力實驗。微重力科學是我國空間科學發展規劃三大領域之一，也是我國載人航天工程專項中空間利用的主要內容。本項目選擇幾個關鍵的微重力力學問題，開展了熱毛細對流轉捩過程、Marangoni對流轉捩過程研究、微重力毛細流動行為和界面控制等方面的研究工作，取得的主要成果包括： 採用了理論分析、數值模擬和實驗研究相結合的方法，綜合研究表面張力梯度驅動對流的失穩特徵，系統分析了流體體系的幾何參數、物性參數和界面位形等臨界參數對臨界流動時空演化的影響，獲得了對失穩過程較全面的認識。開展了表面張力梯度驅動對流向湍流轉捩途徑的數值研究和地基實驗，獲得了表面張力驅動對流向混沌轉捩的連續倍周期分叉途徑和準周期分叉途徑的精細結構。 通過實驗研究了底部加熱建立的豎直溫差下的Bénard-Marangoni超臨界對流的轉捩過程。通過多種流場觀測手段，獲得了豐富的速度場和溫度場失穩轉捩的物理圖像。結合非線性理論和混沌分析，對超臨界轉捩過程有了規律性的認識。提出以超臨界數ε大小將超臨界流動過程劃分為三個主要的區域：臨界對流區(ε≈0 )、弱超臨界區(0<ε＜10)和高超臨界區(ε>10)。臨界對流區處於一次失穩的臨界狀態，實驗的臨界條件與線性理論結果相一致，在三波共振的作用下形成六邊形渦胞，並導致了亞臨界分叉。在弱超臨界區中，渦胞排列會一系列轉換：缺陷結構，二次不穩定，三次不穩定。在高超臨界區中，當10<ε＜30時，為湍流轉捩區，出現熱流體波和亞渦胞，而ε>30時為湍流區，溫度振盪的湍譜服從Kolmogorov的–5/3率。從混沌理論的角度分析，發現BM對流向湍流轉捩的過程是由倍周期分岔的道路進入湍流。 從理論上建立了接觸角、容器內角以及棱和接觸線夾角之間的關係，給出了Concus-Finn條件的物理機制，並以此為基礎研究了廣泛採用的Surface Evolver程式在內角處的適用性問題。通過落塔實驗研究了不同截面形狀管中的毛細流動規律，分析了截面形狀及尺寸對毛細流動的影響規律，並針對與容器連通的外接毛細管，研究了微重力條件下的毛細流動行為，建立了相關的理論模型。從而為深入理解微重力毛細流動規律、及液體流動和液面的控制提供了理論和實驗基礎。 通過上述研究，本項目已按計畫順利完成。