超重力两相流可视化实验教学平台设计

摘要：超重力条件下两相流动与传热是能源、化工、航空航天等行业的重要工程热物理问题。为了满足本科生、研究生开展超重力两相流教学需求，本文设计搭建了超重力两相流可视化实验教学平台，并开展了超重力条件下气液两相流传热和液滴撞击旋转壁面两个实验教学案例研究。通过实验，学生能够清晰直观地感知超重力条件下的两相流动与传热现象，从而进一步加深对流体力学与传热学抽象理论和知识的理解认识，有助于教学质量的提高以及学生学习兴趣与创新意识的培养。本平台可为“流体力学”“传热学”“气液两相流与传热”等专业基础课程的教学方法革新提供有力支撑。

关键词：两相流；超重力；传热学；教学平台

1概述

两相流现象广泛存在于能源、化工、机械、航空航天等工业过程和自然界中［13］，因此两相流体动力学是能源与动力工程、化学工程、机械工程、航空航天工程等专业重要的基础知识［46］。随着现代科技的飞速发展，卫星、飞船、航天飞机和深空探测器等航天器在做机动飞行时或者化工装备在做高速离心旋转运动时，其所处环境为典型的超重力场，环境加速度大于地球重力加速度（9.8m/s2），从而显著改变两相流动与传热过程控制力间的竞争关系，并由此对设备/器件的两相流与传热特性产生重要影响［78］。因此，超重力条件下，两相流动与传热问题已成为航空航天、化学工程等行业的重要研究课题，针对相关专业的本科生、研究生开设超重力两相流教学环节已经势在必行［910］。但超重力两相流现象复杂、理论抽象，仅凭课堂教授，学生难以领会理解甚至无法建立基本认知，故而通过实验教学使学生获得对超重力两相流与传热过程的直观认识显得尤为必要［1112］。但现有的超重力实验平台大多系统复杂、不易操作，不宜作为常规实验教学仪器对本科生、研究生进行教学展示或实操训练。为此，本文设计搭建离心旋转式超重力两相流可视化实验教学平台，并开展超重力条件下气液两相流传热和液滴撞击旋转壁面两个实验教学案例研究，以期进一步加深学生对流体力学与传热学抽象理论和知识的理解认识，提高教学质量，激发学生学习兴趣与创新意识，并为“流体力学”“传热学”“气液两相流与传热”等专业基础课程的教学方法革新提供有力支撑。

2教学实验设计

2.1超重力两相流可视化实验教学平台的设计搭建

为了在地面上模拟超重力条件，利用旋转平台所产生的离心加速度来营造实验所需的超重力环境，通过调节旋转平台的转速来实现不同重力环境的模拟。超重力两相流可视化实验教学平台主要由以下5个部分组成：

（1）转动系统。转动系统包含转盘及轴承。其中，转盘用于安装实验设备，旋转条件下提供超重力环境，并通过调节转速获得不同超重力大小；转盘材料为合金铝；转盘上设置有多种规格的螺纹孔，用以固定实验装置，也可用于安装配重块，以减少系统的振动和噪声水平。

（2）动力系统。该系统包含了电机、变频器、联轴器及电机底座等。电机通过变频器调节转速并驱动转盘旋转，通过底座固定在地面上。

（3）转盘台面供电系统。为使超重力两相流可视化实验教学平台运转条件下安装与转盘上的实验及测试设备正常工作，通过导电滑环向转盘台面供电。

（4）支撑系统。为支撑并保证超重力实验平台稳定运行，设计制作了实验台支撑系统，由固定平板及支撑立柱构成，立柱通过法兰固定在地面上。

（5）围护系统。由于超重力两相流可视化实验教学平台为高速旋转设备，为避免运行过程中台面设备脱落等造成的危险，采用钢板制作围护结构，并固定在地面上。

图1为本文设计的超重力两相流可视化实验教学平台系统示意图。超重力两相流可视化实验教学平台由上至下分别为转盘、轴承、固定平板、联轴器、导电滑环、电机、电机底座等。铝合金转盘直径为1500mm。电刷式电动机垂直放置，其上端联轴器末端连接有固定法兰盘，法兰盘通过螺栓与旋转平台紧密固定。在实验过程中，电动机转动直接带动旋转平台的旋转。

为获得不同的实验工况，通过变频器调节电机转速，调节旋转平台转速。安装在联轴器上的导电滑环可为旋转平台上的仪器设备供电，根据实际需要可以提供220V交流电及0～150V连续可调直流电。为保证整个超重力两相流可视化实验教学平台系统的稳定和安全性，通过支撑立柱及电机底座等将系统与水平地面固定，并在外围设置钢板制成的围护结构。超重力实验平台的具体性能参数可参见表1。

物体在旋转过程中会产生离心加速度，它使旋转的物体远离它的旋转中心。为了更好地描述旋转加速度和重力场的关系，如下式所示：

a=4π2f2rg0g0

其中，a为离心加速度（m/s2）；f为旋转平台的转速（r/s），r为试验段中心至旋转平台圆心的距离（m）。

2.2超重力两相流可视化实验教学平台实验教学案例设计

超重力两相流可视化实验教学平台，主要设计了超重力环境下的气液两相传热特性及表面张力驱动下的气液界面非稳态演化特性演示实验，分别以超重力条件下脉动热管性能测试实验和液滴撞击旋转壁面实验为例。

2.2.1超重力条件下脉动热管性能测试实验

脉动热管是一种依靠热驱动下微小型弯折管内气液两相自激励式循环流动相变传热而实现热量高效扩散输运的高性能传热器件，具有无泵自驱动、结构紧凑、重量轻、稳定性强、加工方便等独特优点，能在失重、常重力和超重力等极端条件下安全可靠工作，是航空航天热控系统的一种优选方案［13］。通过改变实验段的布置方式可模拟载机的不同飞行姿态，如实验段平面沿旋转平台周向布置可模拟载机作机动飞行时的超重力情况，见图2（a）；实验段平面沿径向布置可近似模拟载机加速减速时的超重力情况，见图2（b）。有关实验系统尺寸参数如表2所示。

超重力条件下，脉动热管性能测试实验研究的核心内容是在不同重力下测得脉动热管的壁面温度脉动曲线，基于此，温度脉动曲线的脉动特征揭示不同重力下脉动热管内气液两相运动行为的变化规律，从而为航空航天热控系统的设计提供技术支撑。本文将介绍周向布置方式时脉动热管的运行特性，试验段离心加速范围为0g0～2.5g0。

图3和图4所示为超重力下脉动热管传热性能实验系统示意图和实物图。从图中可以看出，整个系统由超重力平台、脉动热管、冷却单元、电加热单元和动态数据采集单元组成。动态数据采集系统由热电偶、数据采集仪及电脑组成，且固定在旋转平台上。本实验中的脉动热管、冷却风机及铸铝加热块皆放置于旋转平台上，而稳压直流电源和智能电参数测量仪放置在旋转平台之外。

实验步骤如下：

（1）对实验旋转机构进行安全性检测，同时确保旋转平台上实验装置的牢固性。

（2）打开计算机和数据采集仪，检测热电偶的准确性。

（3）关闭安全维护结构大门，启动旋转平台至所需稳定转速。与此同时，打开直流稳压电源和智能参数测量仪预热，将热负荷调至为0；保证数据采集仪持续进行数据采集，开启冷却风机预热；待监测的温度动态曲线长时间处于稳定后，关闭数据采集软件。

（4）重置数据采集仪，重新打开数据采集软件进行动态数据采集。1min后调节直流稳压电源参数，获得目标热负荷，实验正式开始。

（5）观测并实时记录温度动态变化数据，且每个实验工况从启动到结束最少维持2000s。

（6）每个实验工况完成后，将直流稳压电源调至下一工况所需参数，在此过程中保持数据采集软件持续进行动态数据采集，直至所用实验工况完成。

（7）待实验完全结束，关闭所有用电设备，并将实验所用工具和仪器物归原位。

2.2.2液滴撞击旋转壁面实验

液滴撞击旋转壁面现象广泛存在于超重力旋转床、超重力分离设备等化工设备中，开展旋转条件下液滴撞击旋转壁面实验研究有助于深入认识超重力装置中液滴动力学特性，为超重力旋转床、超重力分离设备等化工设备的设计提供理论支持［14］。液滴撞击旋转壁面实验研究的核心内容是通过高速CCD实时记录液滴撞击旋转壁面过程中的气液界面非稳态演化过程，从流体力学角度阐明液滴的流体动力学行为机理。

实验步骤如下：

（1）对实验旋转机构进行安全性检测，同时确保旋转平台上实验装置的牢固性。

（2）打开计算机、高速CCD、光源。

（3）关闭安全维护结构大门，启动旋转平台至所需稳定转速。

（4）打开注射泵并调节流量，实验正式开始。

（5）观测并实时记录液滴撞击旋转壁面时的形貌变化。

（6）待实验完全结束，关闭所有用电设备，并将实验所用工具和仪器物归原位。

3实验结果与分析

3.1超重力条件下脉动热管传热性能

脉动热管在旋转过程中产生的离心加速度使脉动热管在超重力环境中运行，而不同超重力量度对周向布置方式下的脉动热管内部工质的流动形态也会产生不同程度的影响。现在低热负荷下［120W（1.04W/cm2）］对不同超重力环境中周向布置方式下的脉动热管温度脉动曲线特性进行分析和研究。如图6所示，当离心加速度为1.5g0时，相比静态实验，其各工作段的温度曲线的脉动幅度产生明显增加，而其蒸发段和冷凝段温差也有所提高。此时，脉动热管传热性能下降。这是因为脉动热管周向放置，旋转加速度的产生驱使管内液体工质向平行通道远离旋转中心方向处挤压，从而使平行通道内气体工质的体积及流动截面减小，进而使管内气塞对液体工质的推动力减弱，同时减少了液体工质在脉动热管两端和相邻管间流动的质量流量，从而使管内气液两相流动模式恶化，脉动热管传热性能下降。当旋转加速度升至2.5g0时，脉动热管温度脉动曲线产生显著变化。此时，脉动热管壁温曲线有明显“温升平台”出现，相应的管内工质也有长期停滞发生。这是因为旋转加速度的增大使液体工质向平行通道一侧汇集现象更为严重，从而使气体工质和液体工质的分层现象更为明显，进而导致气体流动路径中的液体工质进一步减少，从而强化了液体工质在管内流动趋势的减弱。此时，脉动热管传热性能大幅下降。

3.2液滴撞击旋转壁面的非稳态演化过程

基于上述旋转实验平台，本文研究了液滴直径D=36mm，撞击速度v=2.2m/s，离心加速度为8.5g0工况下，液滴撞击旋转壁面的非稳态运动过程（见图7）。实验结果表明，液滴撞击旋转壁面后，在惯性作用下迅速铺展；当达到液滴最大铺展半径后，在表面张力的作用下回缩；在壁面黏附力及离心力作用下，液滴被拉长，同时向转盘边缘滑动。最终液滴受到表面张力、离心力及壁面黏附力的共同作用，达到稳定状态，并随转盘一同旋转。

4超重力两相流可视化实验教学平台的教学应用

从前述实验案例可以看出，利用本文所建立的超重力两相流可视化实验教学平台，可以为学生提供直观了解两相流动与传热特性的平台，丰富传统的课堂教学内容。任课教师可以在课堂教学之间穿插设置基于可视化实验教学平台的实验教学活动，将实验教学与课堂讲述相结合，从上述直观可视化实验数据出发，对相关知识点，尤其将界面演化特性及其与流动传热特性间的内在关系进行深入讲解剖析，从而加深学生对相关知识的理解与掌握，提高学生学习的积极性，提升教学过程的生动性，强化教学效果。这就为有效克服传统课堂教学中学生被动学习而积极性不够、学习效果不佳的缺点提供了有效手段。［1516］此外，任课教师还可以结合相关实验向学生引申介绍“流体力学”“传热学”“气液两相流与传热”等专业基础课程的相关知识，有利于扩展学生的专业知识面，进一步激发学生的探索欲和求知欲，为后续专业课学习及学生未来继续深造打下良好基础。

此外，该平台还可作为学生课程扩展学习的平台，让学生结合平台自主设计实验内容，再与任课教师交流改进后，在平台上开展实验研究，从而培养学生的创新意识，提升学生的自主创新能力。

结语

本文设计并搭建了超重力两相流可视化实验教学平台，并开展了超重力条件下气液两相流传热和液滴撞击旋转壁面两个实验教学案例研究，分析了超重力条件下气液两相流传热特性和液滴动力学特性。通过实验，学生能够清晰直观地感知超重力条件下的两相流动与传热现象，从而进一步加深对流体力学与传热学抽象理论和知识的理解认识，有助于教学质量的提高以及学生学习兴趣与创新意识的培养，推动“流体力学”“传热学”“气液两相流与传热”等专业基础课程的教学方改革。

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基金项目：国家自然科学基金项目（52376077）；江苏省高校青蓝工程资助

作者简介：RazaGulfam（1990—），男，旁遮普族，巴基斯坦人，博士，讲师，研究方向：微尺度多相流与传热。

*通讯作者：刘向东（1984—），男，汉族，山东济南人，博士，教授，研究方向：微尺度流动与传热。