段 俐

(中國科學(xué)院力學(xué)研究所微重力實(shí)驗(yàn)室,北京 100190)

(中國科學(xué)院大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院,北京 100049)

微重力流體物理主要研究微重力環(huán)境中流體的行為及運(yùn)動規(guī)律以及重力變化對運(yùn)動規(guī)律的影響.微重力環(huán)境中,浮力對流、重力沉降及分層、液體靜壓等極大地減小,地面重力效應(yīng)掩蓋的次級效應(yīng)凸顯,從而影響或改變流體運(yùn)動機(jī)制與行為.微重力流體物理研究關(guān)注微重力環(huán)境(包括低重力環(huán)境)中液體、氣體或多相混合物以及分散體系等物質(zhì)的流動、形態(tài)、相變及其運(yùn)動規(guī)律和機(jī)理,特別是在微重力環(huán)境流體熱質(zhì)輸運(yùn)表現(xiàn)出的新現(xiàn)象和新規(guī)律以及物理形態(tài)變化表現(xiàn)出的新機(jī)制.微重力流體物理服務(wù)于航天器極端條件下的熱質(zhì)管理與輸運(yùn)、空間材料制備等空間應(yīng)用,具有極強(qiáng)的應(yīng)用背景,其典型科學(xué)問題包括如下內(nèi)容.

(1)擴(kuò)散及輸運(yùn)現(xiàn)象

擴(kuò)散過程是自然界中普遍存在的不均勻的溫度場和濃度場趨于均勻化的過程.熱擴(kuò)散滿足Fourier 定律,即熱通量與溫度梯度成正比.濃度擴(kuò)散滿足菲克第一擴(kuò)散定律,即濃度通量與濃度梯度成正比.同時(shí)與溫度通量和濃度通量有關(guān)的擴(kuò)散是交叉擴(kuò)散,是耦合擴(kuò)散過程.濃度梯度對熱通量的貢獻(xiàn)稱為Dufour 效應(yīng),溫度梯度對濃度通量的貢獻(xiàn)稱為Soret 效應(yīng).

在重力場中,要獲得純粹的擴(kuò)散過程很困難,因?yàn)椴痪鶆虻臏囟葓龌驖舛葓鍪艿街亓Φ淖饔脮a(chǎn)生對流,擴(kuò)散過程與對流過程相互耦合在一起.在理論上依據(jù)擴(kuò)散方程研究擴(kuò)散問題,擴(kuò)散系數(shù)是關(guān)鍵參量,地面難以精確測量.在微重力環(huán)境中,有可能產(chǎn)生純擴(kuò)散過程.擴(kuò)散問題是微重力流體物理的典型科學(xué)問題,精確測量擴(kuò)散系數(shù)和Soret 系數(shù)也是化學(xué)、生物、材料等學(xué)科領(lǐng)域的需求.

(2)對流

對流是自然界中普遍存在的現(xiàn)象.在地面重力環(huán)境中,由于溫度梯度或濃度梯度導(dǎo)致浮力驅(qū)動的對流,即浮力對流.其驅(qū)動形式是體積力,主要依賴于3 個(gè)無量綱參數(shù),Rayleigh 數(shù)、Prandtl 數(shù)、幾何參數(shù)比A.

在空間微重力環(huán)境中,Rayleigh 數(shù)被極大地減小,抑制了浮力對流的發(fā)生,其它對流過程突顯起來,如表面張力梯度驅(qū)動的對流過程,即Marangoni 對流,其關(guān)鍵的無量綱參數(shù)是Marangoni 數(shù)、Prandtl 數(shù)、幾何參數(shù)比A.Marangoni 對流是由于溫度梯度或濃度梯度引起表面張力驅(qū)動的流動,其驅(qū)動形式轉(zhuǎn)為表面力.微重力環(huán)境延長擴(kuò)大了流動從層流到湍流轉(zhuǎn)捩的時(shí)空尺度,可以研究流動形成、發(fā)展、演化、至混沌的基本物理規(guī)律及湍流形成機(jī)理,探索混沌斑圖、亞渦胞、表面波的等非線性競爭規(guī)律及影響機(jī)制等.Marangoni 對流模型很多來源于材料科學(xué)領(lǐng)域的晶體生長,因此Marangoni 對流研究不僅具有理論意義,而且有重要的應(yīng)用價(jià)值.

趙誠卓等撰寫的《雙自由面溶質(zhì)-熱毛細(xì)液層的不穩(wěn)定性》論文采用線性穩(wěn)定性理論研究雙自由面溶質(zhì)-熱毛細(xì)液層對流的不穩(wěn)定性,得到了兩種負(fù)毛細(xì)力比(η)下的臨界Marangoni 數(shù)與Prandtl 數(shù)的函數(shù)關(guān)系,并分析了臨界模態(tài)的流場和能量機(jī)制.周游等撰寫的《高徑比對GaAs 熔體液橋熱毛細(xì)對流失穩(wěn)的影響》論文以材料科學(xué)為背景,基于譜元法線性穩(wěn)定性分析,研究高徑比對GaAs 熔體(Pr=0.068)液橋熱毛細(xì)對流失穩(wěn)的影響,同時(shí)結(jié)合能量分析揭示了熱毛細(xì)對流的失穩(wěn)機(jī)制.

(3)液滴和氣泡動力學(xué)

液滴是自然界中一類典型和普遍存在的物質(zhì)形態(tài),液滴的平衡、遷移和運(yùn)動、以及液滴之間的相互作用等一直都是流體力學(xué)的研究熱點(diǎn).對液滴運(yùn)動規(guī)律的探索,實(shí)現(xiàn)液滴的主動驅(qū)動控制,是近幾年提出的新理論和新思想.在微重力環(huán)境下,液滴的行為具有新的特性.重力場不再是驅(qū)動液滴運(yùn)動的主要作用場,溫度場、電磁場、濃度場等引發(fā)的液滴界面張力不均勻,使液滴產(chǎn)生毛細(xì)遷移運(yùn)動,具有新現(xiàn)象和新規(guī)律.研究并掌握液滴熱毛細(xì)遷移規(guī)律,對實(shí)現(xiàn)液滴的驅(qū)動控制非常重要,不僅有重要的學(xué)術(shù)意義,同時(shí)具有廣泛的應(yīng)用背景.在空間合金制備、兩相分離、晶體生長、空間玻璃制備、空間液滴燃燒與消防安全、空間流體管理等方面有著巨大的應(yīng)用價(jià)值.葉致君等撰寫的《激光驅(qū)動液滴遷移的機(jī)理研究》論文主要研究激光驅(qū)動液滴遷移的物理機(jī)制,探索界面張力作用機(jī)理,獲得了激光驅(qū)動液滴遷移的規(guī)律,探索出對液滴的驅(qū)動控制方法.

(4)毛細(xì)界面平衡問題

物質(zhì)各相之間的界面現(xiàn)象對于物質(zhì)的行為有極大的影響.在界面上,分子的內(nèi)聚力會產(chǎn)生界面張力,它有調(diào)節(jié)界面面積的作用,當(dāng)界面面積達(dá)到極小,相應(yīng)的靜平衡狀態(tài)是穩(wěn)定的;當(dāng)界面的面積極大,對應(yīng)不穩(wěn)定狀態(tài).除溫度和濃度外,引起界面張力變化的另一個(gè)因素是界面形變.界面曲率引起界面張力的變化不僅影響平衡的穩(wěn)定與否,對體系的化學(xué)勢也產(chǎn)生影響.

微重力條件下,重力作用基本消失,液體界面張力、內(nèi)聚力等次級力占主要地位.在航天工程中,液體推進(jìn)劑貯箱作為推進(jìn)系統(tǒng)的重要組成部分,其主要作用是為推進(jìn)器提供純的推進(jìn)劑,實(shí)現(xiàn)航天器的調(diào)姿、變軌、對接等.研究流體界面重定位過程,認(rèn)識微重力環(huán)境大尺度毛細(xì)驅(qū)動機(jī)理,了解非理想狀態(tài)、非常規(guī)模態(tài)界面過程的新現(xiàn)象以及新規(guī)律,是突破航天工程推進(jìn)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)并實(shí)現(xiàn)板式貯箱在軌應(yīng)用的關(guān)鍵.

陳上通等撰寫的《微重力下成一定夾角平板間的表面張力》論文瞄準(zhǔn)板式表面張力貯箱板式組件在微重力環(huán)境中對流體管理的作用,研究微重力環(huán)境中成一定角度平板間的表面張力驅(qū)動流動問題.考慮了液體與壁面的動態(tài)接觸角、對流引起的壓力損失、黏滯阻力、液池內(nèi)彎曲的液面等因素的影響,推導(dǎo)出液體爬升高度的二階微分方程.為板式貯箱的研制和空間流體管理提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐.

(5)多相流

多相流是研究兩種或兩種以上相的介質(zhì)混合體的流動特征.作為流體力學(xué)系統(tǒng),研究的比較多的是液氣兩相混合的兩相流過程.多相流體系中受到多種力的作用,如重力、界面張力等.在重力場中,重力起重要作用.在微重力環(huán)境中,消除了重力影響,更有利于研究多相流的相互作用.探索微重力條件下的多相流體系相分布、流動演化及多相耦合的熱質(zhì)輸運(yùn)規(guī)律,發(fā)展高效絕熱技術(shù)及熱轉(zhuǎn)移技術(shù),實(shí)現(xiàn)空間多相分離、供液等.研究微重力多相流問題,在航天工程中具有重要的應(yīng)用價(jià)值.

(6)復(fù)雜流體問題

復(fù)雜流體一直是國際上微重力流體物理研究領(lǐng)域的重要方向,基于軟凝聚態(tài)物質(zhì)的制造、材料的膠體微結(jié)構(gòu)組裝是該方向研究得最為豐富和深入的內(nèi)容.復(fù)雜流體是非單一相的,常包含介觀尺度的微粒,可形成某種內(nèi)部結(jié)構(gòu)的流體,是常見的、影響廣泛的物質(zhì)形態(tài).軟凝聚態(tài)系統(tǒng)包含多級相互作用的結(jié)構(gòu)和功能,在外部刺激下呈現(xiàn)跨尺度集體協(xié)同行為.在地面重力條件下,沉降、對流、分層、靜壓力等效應(yīng)常會掩蓋復(fù)雜流體自身的行為特征,一些復(fù)雜微結(jié)構(gòu)難以穩(wěn)定甚至無法形成,大大影響了對復(fù)雜大尺度微結(jié)構(gòu)形成過程基本規(guī)律的認(rèn)識,限制了具有特殊功能的微結(jié)構(gòu)功能材料的組裝和應(yīng)用.

微重力環(huán)境有效抑制了顆粒沉降和浮力對流作用,為實(shí)現(xiàn)大尺度三維組裝提供了可能.空間微重力環(huán)境下,復(fù)雜流體中顆粒相互作用機(jī)制、局域微流動對多顆粒相互作用的影響以及多級復(fù)雜微結(jié)構(gòu)形成過程中的相互作用都是復(fù)雜流體領(lǐng)域重點(diǎn)關(guān)注的問題.張祺等撰寫的《轉(zhuǎn)動驅(qū)動圓角立方體顆粒有序堆積的離散元模擬》論文研究顆粒受圓角立方體容器往復(fù)旋轉(zhuǎn)剪切作用實(shí)現(xiàn)的有序堆積,探究顆粒有序堆積過程的內(nèi)部結(jié)構(gòu)演化和動力學(xué)機(jī)理.給出了體積分?jǐn)?shù)和有序度參數(shù)在容器不同運(yùn)動條件下隨旋轉(zhuǎn)次數(shù)增加的變化規(guī)律;發(fā)現(xiàn)在亞重力環(huán)境下立方體顆粒同樣可以通過容器的旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)有序堆積,重力加速度的減少會抑制立方體顆粒從無序堆積向有序堆積的轉(zhuǎn)變.