微重力下固液界面输运过程中的关键力学问题研究

Manipulation of fluid transport and flow regulation in the microgravity environment is one of the key scientific problems and technical difficulties in carrying out space science exploration activities and guaranteeing the successful completion of the mission for spacecraft. In this work, we, based on micro-/nanostructures, start from the basic theory of solid-liquid interface interactions to inspect the flow patterns and heat transfer characteristics as well as their dependence on the material properties and microstructures under the condition of gravity loss. And then establish the capillary driven fluid transport model. Moreover, by combining with state-of-the-art NEMS/MEMS techniques, we will design and fabricate precise surface and channel micro-/nanostructures, and integrate the multi-level space fluid transport system from micro/nano scale to the macro scale assembly. Finally, a passive flow regulation device without moving part will be designed and constructed by studying the anisotropic flow resistance caused by asymmetric structure and surface properties. The research project will break the conventional complicated fluid management system design using mechanical/electric pumps and valves, and further lay a solid theoretical and technical foundation for investigating the efficient space fluid transport and passive flow regulation.

微重力环境下的固液界面流体输运与流动调节控制是开展空间科学探索活动和保障航天器顺利完成任务的关键科学问题与技术难点。本课题以微观结构系统为载体，从固液界面分子相互作用基础理论出发，深入研究重力缺失条件下由表面次级力主导的的热质输运特征及其与材料特性和微观结构的依赖关系，建立基于微观表面作用力的流体输运理论模型；结合先进微纳制造工艺，设计并构筑多级表面/通道微观结构，集成组装从微纳米尺度到宏观尺度的多级空间流体输运装置；同时，通过研究非对称结构和表面特性引起的各向异性流阻，设计并构建无活动部件的被动式流动调控装置。突破传统基于机电驱动系统与活动阀门的复杂空间流体管理技术，为研究空间流体高效输运和被动式流动调控奠定坚实的理论和技术基础。

微重力环境下的固液界面流体输运与流动调节控制是开展空间科学探索活动和保障航天器顺利完成任务的关键科学问题与技术难点。本课题以微观结构系统为载体，从固液界面分子互作用基础理论出发，深入研究重力缺失条件下由表面次级力主导的的热质输运特征及其与材料特性和微观结构的依赖关系，建立基于微观表面作用力的流体输运理论模型；结合先进微纳制造工艺，设计并构筑多级表面/通道微观结构，集成组装从微纳米尺度到宏观尺度的多级空间流体输运装置。旨在为研究空间流体高效输运和被动式流动调控奠定坚实的理论和技术基础。.针对微重力条件下由表面张力等次级力主导的热质主动输运、气液两相界面重定位以及相分离等关键问题。本项目利用相场法建立基于微观表面作用力的跨尺度热质输运理论和数值模型。围绕表面次级力主导的热质输运两相运动特性，合理组织微通道结构，优化空间热管理设备的流场和两相传热特性，达到降低微通道两相流动阻力、强化受限结构换热效率等目的。通过第一阶段对歧管微通道散热器内两相热质输运机理的研究，设计加工了片上集成电子器件与微通道散热器原型装置，试验证实两相流动稳定性得到强化，流阻显著降低，达到了课题预期的研究目的。在对微重力条件下气液固三相界面的反应体系流动中，通过理论和实验手段，对电解水体系种气泡-离子液体-电极之间的物质和能量交换进行深入研究，提出了气泡生长的力学模型，对影响气泡动力学的因素如表面形貌、电流密度、界面相互作用、温度梯度、浓度梯度、密度等进行了系统实验研究。此外，发展了基于碳纳米材料和微纳米阵列结构的表面修饰工艺，能够对硅和金属基底的亲疏水性进行精确调控，从而实现流体的被动输运和受限结构中的能量转换及物性参数测量。目前本项目已在国际期刊发表研究论文3篇，会议论文1篇，申请发明专利5项，培养博士研究生1名，硕士研究生1名。