微重力条件下几个关键力学问题

微重力是一种极端环境，这种环境为研究地面上难于研究的重大自然科学问题提供了机遇。载人空间站的主要任务是进行空间微重力实验。微重力科学是我国空间科学发展规划三大领域之一，也是我国载人航天工程专项中空间利用的主要内容。. 本项目选择几个关键的微重力力学问题，研究热毛细对流的转捩过程、Marangoni对流的转捩过程、以及毛细流动和液面控制，进行有特色的研究。本项目申请团队对这几个问题都进行了多年的研究，并取得一些较好的学术成果。目前国际上的研究大多集中于热毛细对流和Marangoni对流第一次分岔过程，以及静态的毛细现象和界面控制。本项目将通过理论与实验（包括落塔实验）相结合，侧重于研究一次分岔以后的转捩过程，以及有流动的毛细流动和界面控制。预期可以取得一些重要的学术成果，同時为筛选我国空间微重力科学实验项目作准备。

微重力是一种极端环境，这种环境为研究地面上难于研究的重大自然科学问题提供了机遇。载人空间站的主要任务是进行空间微重力实验。微重力科学是我国空间科学发展规划三大领域之一，也是我国载人航天工程专项中空间利用的主要内容。本项目选择几个关键的微重力力学问题，开展了热毛细对流转捩过程、Marangoni对流转捩过程研究、微重力毛细流动行为和界面控制等方面的研究工作，取得的主要成果包括：.采用了理论分析、数值模拟和实验研究相结合的方法，综合研究表面张力梯度驱动对流的失稳特征，系统分析了流体体系的几何参数、物性参数和界面位形等临界参数对临界流动时空演化的影响，获得了对失稳过程较全面的认识。开展了表面张力梯度驱动对流向湍流转捩途径的数值研究和地基实验，获得了表面张力驱动对流向混沌转捩的连续倍周期分叉途径和准周期分叉途径的精细结构。.通过实验研究了底部加热建立的竖直温差下的Bénard-Marangoni超临界对流的转捩过程。通过多种流场观测手段，获得了丰富的速度场和温度场失稳转捩的物理图像。结合非线性理论和混沌分析，对超临界转捩过程有了规律性的认识。提出以超临界数ε大小将超临界流动过程划分为三个主要的区域：临界对流区(ε≈0 )、弱超临界区(0<ε<10)和高超临界区(ε>10)。临界对流区处于一次失稳的临界状态，实验的临界条件与线性理论结果相一致，在三波共振的作用下形成六边形涡胞，并导致了亚临界分叉。在弱超临界区中，涡胞排列会一系列转换：缺陷结构，二次不稳定，三次不稳定。在高超临界区中，当10<ε<30时，为湍流转捩区，出现热流体波和亚涡胞，而ε>30时为湍流区，温度振荡的湍谱服从Kolmogorov的–5/3率。从混沌理论的角度分析，发现BM对流向湍流转捩的过程是由倍周期分岔的道路进入湍流。.从理论上建立了接触角、容器内角以及棱和接触线夹角之间的关系，给出了Concus-Finn条件的物理机制，并以此为基础研究了广泛采用的Surface Evolver程序在内角处的适用性问题。通过落塔实验研究了不同截面形状管中的毛细流动规律，分析了截面形状及尺寸对毛细流动的影响规律，并针对与容器连通的外接毛细管，研究了微重力条件下的毛细流动行为，建立了相关的理论模型。从而为深入理解微重力毛细流动规律、及液体流动和液面的控制提供了理论和实验基础。.通过上述研究，本项目已按计划顺利完成。