高永明
浙江大唐乌沙山发电有限责任公司 浙江 315722）
摘 要
20世纪70年代以来，随着载人航天技术的发展，微重力环境下生长的晶体日益成为重要的应用课题，而这个课题的研究也离不开热毛细对流。本文列举了近年来关于振荡毛细对流在微重力场下的研究进展，以及许多在太空进行的实验及研究成果和结论，包括振荡毛细对流与液桥高径比的关系研究、与体积比关系的研究。
关键词：微重力，振荡，毛细对流，空间实验
第1 章 引言
1.1课题研究的背景
大自然中表面张力无处不在。如叶子上的露珠是球状的、树叶飘在水面上。具体来说，表面张力是物体表面内分子间作用而产生的。液体分子在液体与气体的分界面上各个方向受到的引力不均衡。液体内部的吸引造成表层分子受到指向液侧的引力，一些界面分子被拉到液体内部，进而产生缩小液面面积的趋势，在宏观上表现为表面张力现象[1]。然而，这种微妙的现象在材料制备方面得到了广泛的应用。
晶体是近代科学技术发展不可缺少的重要材料。由于天然晶体远远不能满足科学技术发展的需要，因而促进了人工晶体的发展。目前加工的大多数非常纯的硅晶体都是使用浮动区方法生产的晶体，它是最有前途的一种具有特定方向的纯均匀晶体的方法之一[2]。但是人工制备的晶体往往会有很多技术难题，比如条纹缺陷等。然而液桥的毛细对流研究可以大大改善这种问题，使得制备的晶体更加符合需求。如何抑制振荡热毛细对流的产生，避免条纹缺陷的出现，成为亟待解决的问题。因此，有必要对热毛细对流进行深入的研究，为相关工程技术提供可靠的理论依据[3]。
第2章 振荡形态对振荡热毛细对流影响的空间试验研究进展
2.1振荡毛细对流与液桥高径比（Ar）关系的研究
日本国际空间站“希望号”上进行了液体热毛细对流的微重力实验，被称为“空间马朗戈尼实验”，即MEIS-1、2和4实验，三个系列实验分别于2008年、2009年、2010年进行[4]。在MEIS-4中，用了20cSt硅油（Pr=207）制备大型液体桥，它们被悬挂在直径为50mm的同轴磁盘之间，最大长度为62.5mm。MEIS-4的目的之一是确定振荡流开始时的临界温差。给出了主要结果，并与利用5cSt硅油（Pr =67）液体桥的MEIS-1和MEIS - 2的结果进行了比较。
所有实验均在流体物理实验装置（FPEF）中进行，该实验装置是专门为目前的微重力实验设计的。它是由日本JAXA的筑波太空中心（TKSC）的操作人员和科学团队成员远程控制的，在FPEF中安装了多个测量装置。
热毛细对流的不稳定性在MEIS-4中，ΔTc测量值为Ar=0.225~1.25。从这里开始，显示了ΔTc测量作为Ar的函数。很明显，在Ar=0.87时，ΔTc值随Ar值的增大而减小，局部峰值出现。MEIS-1和2的结果吻合较好，而MEIS-4的值明显较大。这些结果可能是由于Pr和LB大小（直径30mm和50mm）的差异造成的。为了更好地理解，ΔTc被无量纲化为关键的马朗戈尼数，即Ma。Ma表示热毛细对流的强度，通过它可以指定振荡流的开始。在微重力中，其他可能影响振荡开始的无量纲参数变为零。这有利于研究热毛细对流的不稳定机制，得到的Ma是Ar的函数。结果表明，MEIS-1和MEIS-2的计算结果是一致的。MEIS-2和MEIS-4在Ar=0.87处出现局部峰[5]。在国际空间站的微重力环境下还进行一些实验。实验设备主要依然是流体物理实验装置，分别为10和20cst硅油测量了直径为30和50毫米、长度为62.5毫米的液体桥的临界温差，得到了宽高比Ar（高度/直径）范围内的临界马朗格尼数（Ma），Ar =2.0，显示了Ma是Ar的函数。相比之下，目前的结果比以前在航天飞机实验中获得的数据（Pr=74）要小得多。结果表明，这种差异是由于液体桥的升温速率的影响造成的。在Pr=67时的无因次振荡频率和Ma值在Ar=1.25时突然下降，说明中性稳定曲线出现了分岔。
2.2振荡毛细对流与体积比关系的研究
在SJ-10返回式科学实验卫星上进行了振荡热毛细对流空间实验。在空间实验中，通过加热或冷却流体系统，构建了环形液池内的热毛细对流系统[7]，实验微重力级为10-3g。
环形水池的尺寸为：外半径R=20mm；内半径R=4mm；深度d=12mm；内外半径之差L=R-r。在环形池中，中心筒内有一电热膜，用于加热附着在环形壁外表面的流体介质和半导体冷却板[8]。中心筒的温度为Th，外壁的温度为TL，因此环形池内外壁的温度差为ΔT=Th-TL。内外壁上的温度由热电偶测量，输入温度控制器进行监控和远程控制。加热和冷却可以根据程序进行。此外,楔形槽设计在外墙的内表面上，和在相同的高度，一个楔形槽设计在中心柱的外表面，防止实验流体沿固体墙爬在表面张力的作用下在空间实验[8]。
在空间实验中，流体介质为信越KF96系列2cSt硅油，在有限的实验时间内，其蒸发速率相对较小。实验开始时，将液压缸内的工作液注入步进电机驱动的环形池内，建立热毛细对流系统。同时，步进电机将液体注入液池，可以精确控制液体的体积比。热毛细流动的不稳定性可以用温度、自由表面变形等物理参数的时间演化特征来表征。温度是反映热力学能变化和传热过程的关键状态变量[9]。
在实践十号卫星上进行了23个系列的热毛细对流空间实验，其中包括17个系列的线性加热实验，6个系列的阶梯加热实验。流体体积比为0.363~1.220；流体两侧最大温差分别为25℃、29℃、30℃、31℃、34℃、35℃、40℃；升温速率分别为0.5℃/min和1.0℃/min。观察到热毛细对流在不同体积比下的温度振荡，表明热毛细对流的不稳定性是由稳态向振荡状态过渡引起的[10]。
空间实验得到的热毛细对流起始振荡的临界温差比地面实验得到的浮力热毛细对流起始振荡的临界温差低10℃以上，表明表面张力驱动的热毛细流动更容易失稳并且从稳态过渡到振荡态[11]。
结论
本文总结了近年来关于振荡毛细对流在微重力场下的研究进展，列举了许多在太空进行的实验及研究成果和结论。包括振荡毛细对流与液桥高径比的关系研究、与体积比关系的研究、与自由表面换热关系的研究。具体结论如下：
（1）振荡毛细对流与液桥高径比的关系研究。临界温度差、ΔTc和由此产生的Ma是在Ar （Ar=0.225~1.25）的大范围内确定的，这是开始振荡流动所必需的。Pr=207的ΔTc值大大高于Pr=67。然而，从这些普朗特数中得到的Ma曲线彼此吻合得很好，两者都显示了一个局部Ma，峰值为Ar=0.87。确定了在相同Ar范围内的振荡频率。Pr=207和67的无量纲振荡频率彼此吻合，但Pr=207的无量纲振荡频率揭示了Ar>0.67的基频（或一阶）及其二次谐波的存在。
（2）振荡毛细对流与与体积比的关系。空间实验得到的热毛细对流起始振荡的临界温差比地面实验得到的浮力热毛细对流起始振荡的临界温差低10℃以上，表明表面张力驱动的热毛细流动更容易失稳并且从稳态过渡到振荡态。
参考文献
[1]Hondros E D.Dr.Thomas Young-Natural philosopher(Proceedings of The IV International Conference/High Temperature Capillarity)[J].Journal of Materials Science,2005(40): 2119-2123.
[2]R.Jayakrishnan,S.Tiwari.Influence of co-axial airflow and volume ratio on thermo-capillary convection in half floating zones[J].Computers and Fluids, 2019(179):248-264.
[3]Qi Kang,Huan Jiang,Li Duan,Chu Zhang,Wenrui Hu.The critical condition and oscillation – transition characteristics of thermocapillary convection in the space experiment on SJ-10 satellite[J].International Journal of Heat and Mass Transfer,2019(135):479-490.
[4]阿燕,唐泽眉,胡文瑞.利用PIV方法测量半浮区液桥热毛细对流的速度场[J].流体力学实验与测量,2003(03):66-70.
高永明，男，汉 ，辽宁省朝阳市,1997.11.15，本科，工作单位：浙江大唐乌沙山发电有限责任公司，主要研究方向或者从事工作：电力行业，邮编：315722