微重力多相热流体动力学  080103M06002H

学期:2020—2021学年(春)第二学期 | 课程属性:专业研讨课 | 任课教师:赵建福
授课时间: 星期四,第3、4 节
授课地点: 教一楼113
授课周次: 3、4、5、6、7、8、9、10、11、12
课程编号: 080103M06002H 课时: 20 学分: 1.00
课程属性: 专业研讨课 主讲教师:赵建福 助教:杜王芳
英文名称: Microgravity Multiphase Thermal Fluid Dynamics 召集人:

教学目的、要求

微重力多相热流体动力学是一门新兴学科,是微重力科学、多相流体力学与多相流热物理学等领域的重要发展前沿,在空间飞行器流体管理系统、热控系统、动力系统、载人航天器环境控制与生命保障系统等及众多空间科学实验中有着重要应用。本课程将系统梳理和介绍微重力多相热流体动力学的基础理论、国内外发展状况和最新成就,激发航天科技领域相关专业研究生提出问题、凝练思路并进而解决相关基础理论研究和应用技术开发中的实际问题的能力,同时对从事地面常重力及车载/舰载/机载变重力条件下的多相热流体系统研究的研究生也有借鉴和指导意义。

预修课程

流体力学或流体力学导论或高等流体力学

教 材

1. 胡文瑞等. 微重力科学概论(第1、2、4章). 北京:科学出版社,2010.
2. Gabriel K. S. Microgravity Two-phase Flow and Heat Transfer. Springer, 2007.

主要内容

第一章	绪论(共0.5学时)
微重力环境,微重力多相热流体动力学研究内容、方法与意义
第二章	流体力学基础(共1.5学时)
2.1  连续介质模型与流动描述方法(0.5学时):流体的宏观性质与微观结构,连续介质假设及其适用条件,拉格朗日描述与欧拉描述及其间的联系
2.2  流体运动基本方程(0.5学时):物理守恒定律与流动基本方程组,方程组的封闭性,定解条件,方程组的简化
2.3  流动相似性与量纲分析(0.5学时):流动相似性,量纲分析的基本概念与Π定理,经典问题
第三章	相与相界面(共2学时)
3.1  相与相平衡(0.5学时):宏观物质的相态,吉布斯相律与单组分物质相图,相平衡及其条件
3.2  无相间质量传递的不混溶相界面间断关系(1学时):相界面间断关系的推导、分类与封闭性分析,无相间质量传递时相界面间断关系的简化
3.3  伴有相间质量传递的相界面间断关系(0.5学时):相间质量传递模型,进展与问题评述
第四章	单颗粒动力学(共2学时)
4.1  球形颗粒运动方程及其解的分析(0.5学时,教学重点和难点):无界流场中球形颗粒稳态运动方程及其通解形式,特殊条件下颗粒的运动,单颗粒阻力系数曲线,近壁效应
4.2  可变形流体颗粒的运动(0.5学时):无界流场中流体颗粒的运动与变形,单气泡阻力系数曲线,管道内受限气泡的运动
4.3  热毛细效应(0.5学时):表面张力及其温度系数,流体颗粒的热毛细迁移
4.4  颗粒运动方程(0.5学时):颗粒受力及其叠加,颗粒运动方程
第五章	核化与气泡生长(共2学时)
5.1  经典核化理论(1学时):均质核化与异质核化,均质核化起始条件,异质核化中缺陷的作用,核化点分布及其特征描述
5.2  生长气泡的热动力学(1学时,教学重点和难点):加热壁面气泡生长周期,生长气泡模型,气泡底部细观结构演化
第六章	气液两相流(共2学时)
6.1  流型与流型转换模型(1学时):相分布与流型,常重力和微重力条件下的气液两相流型与流型图,流型转换模型
6.2  气液两相流动与传热特性(1学时):气液两相压降与传热系数,重力效应
第七章	沸腾与凝结(共4学时)
7.1  池沸腾与池沸腾传热的重力标度规律(1学时,教学重点和难点):不同重力条件下的池沸腾现象与传热特征,池沸腾传热的重力标度规律,不同物理涵义的重力标度系数
7.2  流动沸腾与急冷过程中的多相流动与传热(1学时):(管壁加热引起的)流动沸腾传热,临界热流,最小热流与莱登弗罗斯特现象,急冷过程(管壁热容快速释放)中的气液两相流动与壁温演化,重力效应
7.3  凝结流动与传热(0.5学时):凝结模式,凝结传热,凝结液的收集与传输,管内凝结流动,重力效应
7.4  重力无关性准则(1学时,教学重点和难点):基于不同物理机制的气液两相流重力无关性准则
7.5  多相流系统的稳定性(0.5学时):静态与动态不稳定性
第八章	空间应用中的多相热流体动力学问题(共2学时)
8.1  月球表面部分重力辅助两相热虹吸管(0.5学时):稳态性能仿真,稳定性分析与失稳抑制策略
8.3  深低温热传输中的深冷环路热管(0.5学时):超临界启动,稳态传热性能曲线,失稳机制、不稳定区域与失稳抑制方法
8.4  空间高真空环境液体闪蒸排放(1学时):液态真空排放过程的热力学分析,液滴闪蒸,液体闪蒸射流与流量壅塞,管道内的闪蒸及其形成的气液两相流
第九章	多相热流体动力学数值模拟(共2学时)
9.1  基于连续介质模型的相界面描述方法与多相热流体问题数值模拟(1学时):均相模型,混合模型,分相模型,分相模型中的相界面描述方法,界面追踪法,界面捕捉法,Level Set方法,VOF方法,相场方法
9.2  格子-玻尔兹曼方法在多相热流体动力学中的应用(1学时):格子-玻尔兹曼方法概况,多相格子-玻尔兹曼方法
第十章	微重力多相热流体动力学实验技术(共2学时)
10.1  测量与测量结果不确定度分析(1学时):常用物理力学量的测量,测量结果的正确表示,测量不确定度分析
10.2  空间实验装置研制实例分析(1学时):空间实验装置研制的基本约束条件,空间科学实验方案设计的一般原则,两个空间沸腾实验装置(SOBER-SJ10和vgBOILING-CSS)研制经验分析

教学手段与方法:
课堂讲授。

考核方式:
开卷考试。

参考文献

1. 鲁钟琪. 两相流与沸腾传热. 北京:清华大学出版社,2002.
2. Chisholm D. Two-phase Flow in Pipelines and Heat Exchangers. London: George Godwin, 1983.
3. Straub J. Boiling Heat Transfer and Bubble Dynamics in Microgravity. Advance in Heat Transfer, 2001, 35: 57?172.
4. Brennen C. E. Fundamentals of Multiphase Flows. Cambridge University Press, 2005
5. 杜王芳,赵建福. 核态池沸腾传热现象中的重力标度规律. 科学通报,2020,65(17): 1629-1637.