超重力兩相流可視化實驗教學平臺設計

摘要：超重力條件下兩相流動與傳熱是能源、化工、航空航天等行業的重要工程熱物理問題。為了滿足本科生、研究生開展超重力兩相流教學需求，本文設計搭建了超重力兩相流可視化實驗教學平臺，并開展了超重力條件下氣液兩相流傳熱和液滴撞擊旋轉壁面兩個實驗教學案例研究。通過實驗，學生能夠清晰直觀地感知超重力條件下的兩相流動與傳熱現象，從而進一步加深對流體力學與傳熱學抽象理論和知識的理解認識，有助于教學質量的提高以及學生學習興趣與創新意識的培養。本平臺可為“流體力學”“傳熱學”“氣液兩相流與傳熱”等專業基礎課程的教學方法革新提供有力支撐。

關鍵詞：兩相流；超重力；傳熱學；教學平臺

1概述

兩相流現象廣泛存在于能源、化工、機械、航空航天等工業過程和自然界中［13］，因此兩相流體動力學是能源與動力工程、化學工程、機械工程、航空航天工程等專業重要的基礎知識［46］。隨著現代科技的飛速發展，衛星、飛船、航天飛機和深空探測器等航天器在做機動飛行時或者化工裝備在做高速離心旋轉運動時，其所處環境為典型的超重力場，環境加速度大于地球重力加速度（9.8m/s2），從而顯著改變兩相流動與傳熱過程控制力間的競爭關系，并由此對設備/器件的兩相流與傳熱特性產生重要影響［78］。因此，超重力條件下，兩相流動與傳熱問題已成為航空航天、化學工程等行業的重要研究課題，針對相關專業的本科生、研究生開設超重力兩相流教學環節已經勢在必行［910］。但超重力兩相流現象復雜、理論抽象，僅憑課堂教授，學生難以領會理解甚至無法建立基本認知，故而通過實驗教學使學生獲得對超重力兩相流與傳熱過程的直觀認識顯得尤為必要［1112］。但現有的超重力實驗平臺大多系統復雜、不易操作，不宜作為常規實驗教學儀器對本科生、研究生進行教學展示或實操訓練。為此，本文設計搭建離心旋轉式超重力兩相流可視化實驗教學平臺，并開展超重力條件下氣液兩相流傳熱和液滴撞擊旋轉壁面兩個實驗教學案例研究，以期進一步加深學生對流體力學與傳熱學抽象理論和知識的理解認識，提高教學質量，激發學生學習興趣與創新意識，并為“流體力學”“傳熱學”“氣液兩相流與傳熱”等專業基礎課程的教學方法革新提供有力支撐。

2教學實驗設計

2.1超重力兩相流可視化實驗教學平臺的設計搭建

為了在地面上模擬超重力條件，利用旋轉平臺所產生的離心加速度來營造實驗所需的超重力環境，通過調節旋轉平臺的轉速來實現不同重力環境的模擬。超重力兩相流可視化實驗教學平臺主要由以下5個部分組成：

（1）轉動系統。轉動系統包含轉盤及軸承。其中，轉盤用于安裝實驗設備，旋轉條件下提供超重力環境，并通過調節轉速獲得不同超重力大小；轉盤材料為合金鋁；轉盤上設置有多種規格的螺紋孔，用以固定實驗裝置，也可用于安裝配重塊，以減少系統的振動和噪聲水平。

（2）動力系統。該系統包含了電機、變頻器、聯軸器及電機底座等。電機通過變頻器調節轉速并驅動轉盤旋轉，通過底座固定在地面上。

（3）轉盤臺面供電系統。為使超重力兩相流可視化實驗教學平臺運轉條件下安裝與轉盤上的實驗及測試設備正常工作，通過導電滑環向轉盤臺面供電。

（4）支撐系統。為支撐并保證超重力實驗平臺穩定運行，設計制作了實驗臺支撐系統，由固定平板及支撐立柱構成，立柱通過法蘭固定在地面上。

（5）圍護系統。由于超重力兩相流可視化實驗教學平臺為高速旋轉設備，為避免運行過程中臺面設備脫落等造成的危險，采用鋼板制作圍護結構，并固定在地面上。

圖1為本文設計的超重力兩相流可視化實驗教學平臺系統示意圖。超重力兩相流可視化實驗教學平臺由上至下分別為轉盤、軸承、固定平板、聯軸器、導電滑環、電機、電機底座等。鋁合金轉盤直徑為1500mm。電刷式電動機垂直放置，其上端聯軸器末端連接有固定法蘭盤，法蘭盤通過螺栓與旋轉平臺緊密固定。在實驗過程中，電動機轉動直接帶動旋轉平臺的旋轉。

為獲得不同的實驗工況，通過變頻器調節電機轉速，調節旋轉平臺轉速。安裝在聯軸器上的導電滑環可為旋轉平臺上的儀器設備供電，根據實際需要可以提供220V交流電及0～150V連續可調直流電。為保證整個超重力兩相流可視化實驗教學平臺系統的穩定和安全性，通過支撐立柱及電機底座等將系統與水平地面固定，并在外圍設置鋼板制成的圍護結構。超重力實驗平臺的具體性能參數可參見表1。

物體在旋轉過程中會產生離心加速度，它使旋轉的物體遠離它的旋轉中心。為了更好地描述旋轉加速度和重力場的關系，如下式所示：

a=4π2f2rg0g0

其中，a為離心加速度（m/s2）；f為旋轉平臺的轉速（r/s），r為試驗段中心至旋轉平臺圓心的距離（m）。

2.2超重力兩相流可視化實驗教學平臺實驗教學案例設計

超重力兩相流可視化實驗教學平臺，主要設計了超重力環境下的氣液兩相傳熱特性及表面張力驅動下的氣液界面非穩態演化特性演示實驗，分別以超重力條件下脈動熱管性能測試實驗和液滴撞擊旋轉壁面實驗為例。

2.2.1超重力條件下脈動熱管性能測試實驗

脈動熱管是一種依靠熱驅動下微小型彎折管內氣液兩相自激勵式循環流動相變傳熱而實現熱量高效擴散輸運的高性能傳熱器件，具有無泵自驅動、結構緊湊、重量輕、穩定性強、加工方便等獨特優點，能在失重、常重力和超重力等極端條件下安全可靠工作，是航空航天熱控系統的一種優選方案［13］。通過改變實驗段的布置方式可模擬載機的不同飛行姿態，如實驗段平面沿旋轉平臺周向布置可模擬載機作機動飛行時的超重力情況，見圖2（a）；實驗段平面沿徑向布置可近似模擬載機加速減速時的超重力情況，見圖2（b）。有關實驗系統尺寸參數如表2所示。

超重力條件下，脈動熱管性能測試實驗研究的核心內容是在不同重力下測得脈動熱管的壁面溫度脈動曲線，基于此，溫度脈動曲線的脈動特征揭示不同重力下脈動熱管內氣液兩相運動行為的變化規律，從而為航空航天熱控系統的設計提供技術支撐。本文將介紹周向布置方式時脈動熱管的運行特性，試驗段離心加速范圍為0g0～2.5g0。

圖3和圖4所示為超重力下脈動熱管傳熱性能實驗系統示意圖和實物圖。從圖中可以看出，整個系統由超重力平臺、脈動熱管、冷卻單元、電加熱單元和動態數據采集單元組成。動態數據采集系統由熱電偶、數據采集儀及電腦組成，且固定在旋轉平臺上。本實驗中的脈動熱管、冷卻風機及鑄鋁加熱塊皆放置于旋轉平臺上，而穩壓直流電源和智能電參數測量儀放置在旋轉平臺之外。

實驗步驟如下：

（1）對實驗旋轉機構進行安全性檢測，同時確保旋轉平臺上實驗裝置的牢固性。

（2）打開計算機和數據采集儀，檢測熱電偶的準確性。

（3）關閉安全維護結構大門，啟動旋轉平臺至所需穩定轉速。與此同時，打開直流穩壓電源和智能參數測量儀預熱，將熱負荷調至為0；保證數據采集儀持續進行數據采集，開啟冷卻風機預熱；待監測的溫度動態曲線長時間處于穩定后，關閉數據采集軟件。

（4）重置數據采集儀，重新打開數據采集軟件進行動態數據采集。1min后調節直流穩壓電源參數，獲得目標熱負荷，實驗正式開始。

（5）觀測并實時記錄溫度動態變化數據，且每個實驗工況從啟動到結束最少維持2000s。

（6）每個實驗工況完成后，將直流穩壓電源調至下一工況所需參數，在此過程中保持數據采集軟件持續進行動態數據采集，直至所用實驗工況完成。

（7）待實驗完全結束，關閉所有用電設備，并將實驗所用工具和儀器物歸原位。

2.2.2液滴撞擊旋轉壁面實驗

液滴撞擊旋轉壁面現象廣泛存在于超重力旋轉床、超重力分離設備等化工設備中，開展旋轉條件下液滴撞擊旋轉壁面實驗研究有助于深入認識超重力裝置中液滴動力學特性，為超重力旋轉床、超重力分離設備等化工設備的設計提供理論支持［14］。液滴撞擊旋轉壁面實驗研究的核心內容是通過高速CCD實時記錄液滴撞擊旋轉壁面過程中的氣液界面非穩態演化過程，從流體力學角度闡明液滴的流體動力學行為機理。

實驗步驟如下：

（1）對實驗旋轉機構進行安全性檢測，同時確保旋轉平臺上實驗裝置的牢固性。

（2）打開計算機、高速CCD、光源。

（3）關閉安全維護結構大門，啟動旋轉平臺至所需穩定轉速。

（4）打開注射泵并調節流量，實驗正式開始。

（5）觀測并實時記錄液滴撞擊旋轉壁面時的形貌變化。

（6）待實驗完全結束，關閉所有用電設備，并將實驗所用工具和儀器物歸原位。

3實驗結果與分析

3.1超重力條件下脈動熱管傳熱性能

脈動熱管在旋轉過程中產生的離心加速度使脈動熱管在超重力環境中運行，而不同超重力量度對周向布置方式下的脈動熱管內部工質的流動形態也會產生不同程度的影響。現在低熱負荷下［120W（1.04W/cm2）］對不同超重力環境中周向布置方式下的脈動熱管溫度脈動曲線特性進行分析和研究。如圖6所示，當離心加速度為1.5g0時，相比靜態實驗，其各工作段的溫度曲線的脈動幅度產生明顯增加，而其蒸發段和冷凝段溫差也有所提高。此時，脈動熱管傳熱性能下降。這是因為脈動熱管周向放置，旋轉加速度的產生驅使管內液體工質向平行通道遠離旋轉中心方向處擠壓，從而使平行通道內氣體工質的體積及流動截面減小，進而使管內氣塞對液體工質的推動力減弱，同時減少了液體工質在脈動熱管兩端和相鄰管間流動的質量流量，從而使管內氣液兩相流動模式惡化，脈動熱管傳熱性能下降。當旋轉加速度升至2.5g0時，脈動熱管溫度脈動曲線產生顯著變化。此時，脈動熱管壁溫曲線有明顯“溫升平臺”出現，相應的管內工質也有長期停滯發生。這是因為旋轉加速度的增大使液體工質向平行通道一側匯集現象更為嚴重，從而使氣體工質和液體工質的分層現象更為明顯，進而導致氣體流動路徑中的液體工質進一步減少，從而強化了液體工質在管內流動趨勢的減弱。此時，脈動熱管傳熱性能大幅下降。

3.2液滴撞擊旋轉壁面的非穩態演化過程

基于上述旋轉實驗平臺，本文研究了液滴直徑D=36mm，撞擊速度v=2.2m/s，離心加速度為8.5g0工況下，液滴撞擊旋轉壁面的非穩態運動過程（見圖7）。實驗結果表明，液滴撞擊旋轉壁面后，在慣性作用下迅速鋪展；當達到液滴最大鋪展半徑后，在表面張力的作用下回縮；在壁面黏附力及離心力作用下，液滴被拉長，同時向轉盤邊緣滑動。最終液滴受到表面張力、離心力及壁面黏附力的共同作用，達到穩定狀態，并隨轉盤一同旋轉。

4超重力兩相流可視化實驗教學平臺的教學應用

從前述實驗案例可以看出，利用本文所建立的超重力兩相流可視化實驗教學平臺，可以為學生提供直觀了解兩相流動與傳熱特性的平臺，豐富傳統的課堂教學內容。任課教師可以在課堂教學之間穿插設置基于可視化實驗教學平臺的實驗教學活動，將實驗教學與課堂講述相結合，從上述直觀可視化實驗數據出發，對相關知識點，尤其將界面演化特性及其與流動傳熱特性間的內在關系進行深入講解剖析，從而加深學生對相關知識的理解與掌握，提高學生學習的積極性，提升教學過程的生動性，強化教學效果。這就為有效克服傳統課堂教學中學生被動學習而積極性不夠、學習效果不佳的缺點提供了有效手段。［1516］此外，任課教師還可以結合相關實驗向學生引申介紹“流體力學”“傳熱學”“氣液兩相流與傳熱”等專業基礎課程的相關知識，有利于擴展學生的專業知識面，進一步激發學生的探索欲和求知欲，為后續專業課學習及學生未來繼續深造打下良好基礎。

此外，該平臺還可作為學生課程擴展學習的平臺，讓學生結合平臺自主設計實驗內容，再與任課教師交流改進后，在平臺上開展實驗研究，從而培養學生的創新意識，提升學生的自主創新能力。

結語

本文設計并搭建了超重力兩相流可視化實驗教學平臺，并開展了超重力條件下氣液兩相流傳熱和液滴撞擊旋轉壁面兩個實驗教學案例研究，分析了超重力條件下氣液兩相流傳熱特性和液滴動力學特性。通過實驗，學生能夠清晰直觀地感知超重力條件下的兩相流動與傳熱現象，從而進一步加深對流體力學與傳熱學抽象理論和知識的理解認識，有助于教學質量的提高以及學生學習興趣與創新意識的培養，推動“流體力學”“傳熱學”“氣液兩相流與傳熱”等專業基礎課程的教學方改革。

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基金項目：國家自然科學基金項目（52376077）；江蘇省高校青藍工程資助

作者簡介：RazaGulfam（1990—），男，旁遮普族，巴基斯坦人，博士，講師，研究方向：微尺度多相流與傳熱。

*通訊作者：劉向東（1984—），男，漢族，山東濟南人，博士，教授，研究方向：微尺度流動與傳熱。