熱對流是自然界中最常見的自然對流。地面熱對流通常由流體溫度梯度導(dǎo)致密度梯度而引起的浮力對流主導(dǎo)，空間熱對流則主要由流體溫度梯度誘導(dǎo)的表面張力梯度而產(chǎn)生，其驅(qū)動形式由體積力轉(zhuǎn)為表面力。微重力環(huán)境是一個特殊的平臺，浮力驅(qū)動的流動被極大地抑制，流體界面通常也不再保持水平形貌，可以應(yīng)用空間熱對流這種新模型開展流動轉(zhuǎn)捩問題的研究，觀測新現(xiàn)象、發(fā)現(xiàn)新問題、探索新規(guī)律，拓展通向湍流的過程深入研究，實現(xiàn)從機制到機理的認(rèn)識。
在中國科學(xué)院院士胡文瑞指導(dǎo)下，中國科學(xué)院力學(xué)研究所微重力重點實驗室康琦團隊在“實踐十號”返回式科學(xué)實驗衛(wèi)星和“天宮二號”空間實驗室任務(wù)中成功完成兩項空間流體科學(xué)實驗，深入研究了熱毛細(xì)對流不穩(wěn)定性機制，取得一系列成果。
?。?）“熱毛細(xì)對流表面波空間實驗研究”是“實踐十號”微重力科學(xué)實驗衛(wèi)星開展的19項空間實驗之一（2016年4月）。它以Czochralski晶體生長方法提煉出的環(huán)狀流熱毛細(xì)對流體系作為研究對象，采用紅外熱像、精密位移傳感、高精度溫度采集與控制以及在線圖像記錄等綜合流場診斷技術(shù)，對熱毛細(xì)對流的表面波動結(jié)構(gòu)與模態(tài)轉(zhuǎn)變過程進(jìn)行全面觀測。
實驗首次以體積比作為關(guān)鍵參量，系統(tǒng)地研究自由面不同曲率形貌對熱毛細(xì)對流不穩(wěn)定性的影響，成為體積比效應(yīng)理論的首次成功拓展；分析了熱流體波的模式演化與轉(zhuǎn)變過程，發(fā)現(xiàn)了駐波/行波耦合、m=3/m=4耦合和Benjamin-Feir不穩(wěn)定等新流態(tài)，探明不同模式表面波之間的非線性競爭機制(J. Fluid Mech., 2019; Phys. Fluids, 2019, Featured Article; Int. J Heat Mass Trans., 2019)。
(2)“大Prandtl數(shù)液橋熱毛細(xì)對流研究”是在載人航天工程“天宮二號”開展的空間科學(xué)實驗(2016年12月~2019年7月)。液橋模型來源于浮區(qū)晶體生長方法，該項目利用微重力環(huán)境建立不同幾何形貌的大尺寸液橋（最大高度22mm），研究液橋熱毛細(xì)對流失穩(wěn)與振蕩的轉(zhuǎn)捩分岔機理。歷時32個月完成了740余組空間實驗，是國際上最長時間、最多工況、最系統(tǒng)的空間流體實驗。
該實驗探明了液橋熱毛細(xì)對流振蕩的臨界Marangoni數(shù)范圍，刻畫了幾何參數(shù)效應(yīng)（涵蓋體積比和高徑比）的完整起振圖譜，首次觀測到垂直跳變型失穩(wěn)新效應(yīng)；發(fā)現(xiàn)了熱毛細(xì)對流多次轉(zhuǎn)捩新機制；首次提出了獨特的低頻起振失穩(wěn)區(qū)域新概念，對臨界失穩(wěn)條件有了全新的認(rèn)知；得到不同幾何參數(shù)下行波與駐波的多模式轉(zhuǎn)換圖譜；發(fā)現(xiàn)了微重力下更為豐富的、復(fù)雜的耦合分岔途徑(J. Fluid Mech., 2019; Phys. Fluids, 2020；Featured Article; Int. J Heat Mass Trans., 2017)。
兩項空間實驗分析了兩種模型熱毛細(xì)對流由定常流動發(fā)生失穩(wěn)、形成振蕩、分岔演變最終進(jìn)入混沌的整個轉(zhuǎn)捩過程，深入探討了臨界條件、流動模態(tài)、流場結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)捩途徑與失穩(wěn)機理等問題，為湍流這一難題的突破尋找破解的途徑，對掌握微重力流體物理的基本規(guī)律、拓展流體物理理論研究具有重要學(xué)術(shù)意義。在空間/地面材料生長、焊料融化與凝固、流體管理及熱質(zhì)輸運等方面有重要應(yīng)用價值。兩項空間實驗載荷均由中科院力學(xué)所康琦團隊分別聯(lián)合中國航天員科研訓(xùn)練中心、中科院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心等單位研制完成，突破了多項微重力流體實驗的關(guān)鍵技術(shù)，并在空間得到成功驗證。
相關(guān)結(jié)果發(fā)表于流體力學(xué)期刊Journal of Fluid Mechanics、Physics of Fluid、International Journal of Heat and Mass Transfer，微重力科學(xué)專業(yè)期刊以及全球唯一實驗視頻期刊等，其創(chuàng)新性結(jié)論引起界內(nèi)廣泛關(guān)注。多篇論文被期刊選為“Feature Article”，并作為雜志封面。項目得到中科院空間科學(xué)先導(dǎo)專項、中國載人航天工程以及國家自然科學(xué)基金的資助。
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圖1 實踐十號環(huán)形液池載荷與流動模式轉(zhuǎn)變
圖2 天宮二號液橋載荷與幾何參數(shù)效應(yīng)
