高真空低温表面水蒸气凝华机理研究

Water vapor will desublimate into frost when spacecraft runs in the space or in high vacuum experimental environment. Clarifying the desublimation mechanism under high vacuum cryogenic environment has important theoretical and practical value for safe operation of the spacecraft, but currently the studies of water vapor desublimation phenomenon under high vacuum cryogenic environment are still very lacking. Therefore the project will use methods of theoretical modeling and analysis, Monte Carlo simulation and experimental verification based on the kinetic theory and considering heat and mass transfer characteristics between low pressure vapor and low temperature surface, and establish dynamic control equations of heat and mass transfer in the desublimation process to investigate the dynamic process of vapor desublimation under high vacuum cryogenic. Vapor desublimation frost layer critical structural and physical parameters varies with time will be obtained by experimental measurements and check and verify the numerical simulation model in order to understand and master the vapor desublimation process thermodynamics and heat transfer mechanism high vacuum cryogenic environment. By this project steam desublimation dynamic process under high vacuum cryogenic environment analysis method will be built, and lay a solid theoretical and experimental basis for accurate knowledge of the dynamic process of the space environment desublimation of water surrounding the spacecraft.

航天器在太空运行及地面高真空实验环境下均存在水蒸气凝华成霜现象，厘清高真空环境水蒸气在低温表面的凝华机理，对航天器的安全运行有重要理论和应用价值，但目前针对高真空、低温环境下水蒸气的凝华现象和机理的研究仍非常缺乏。对此，本项目采用理论分析、建模仿真与实验验证相结合的方法，依据分子动力学理论、蒙特卡罗方法，考虑低压水蒸气与低温表面间的传热传质特性，建立水蒸气分子凝华过程中的动态传热传质控制方程，研究分析高真空低温条件下水蒸气凝华成霜的动态过程，并通过实验测量得到高真空低温下水蒸气凝华霜层随时间变化的关键结构和物性参数，验证校核数值仿真结果，以修正所建模型，进而了解和掌握高真空低温表面水蒸气凝华过程的热力学和动力学机理。通过本项目的研究，将建立分析高真空低温环境下水蒸气凝华成霜动态过程的研究方法，为准确掌握太空环境航天器周围水分子的动态凝华过程打下扎实的理论和实验基础。

航天器在太空运行及地面高真空实验环境下均存在水蒸气凝华成霜现象，厘清高真空环境水蒸气在低温表面的凝华机理，对航天器的安全运行有重要理论和应用价值，但目前针对高真空、低温环境下水蒸气的凝华现象和机理的研究仍非常缺乏。本项目采用理论分析、建模仿真与实验验证相结合的方法，依据分子动力学理论、蒙特卡罗方法，考虑低压水蒸气与低温表面间的传热传质特性，建立水蒸气分子凝华过程中的动态传热传质控制方程，研究分析高真空低温条件下水蒸气凝华成霜的动态过程，并通过实验测量得到高真空低温下水蒸气凝华霜层随时间变化的关键结构和物性参数，验证校核数值仿真结果，进而了解和掌握高真空低温表面水蒸气凝华过程的热力学和动力学机理。.本项目通过分子动力学方法研究水蒸气分子在低温冷板上凝华成霜的过程，模拟水蒸气凝华结霜过程，获得不同低温冷板条件下霜层的分子构型，计算获得50K-200K霜层的热容和导热系数，基于热流自相关函数得到的导热系数随温度变化较小，冷板温度200K时导热系数平均值为1.05 W/(m•K)，100K时平均值为0.77 W/(m•K)。DSMC方法可用于模拟分析宏观尺度的水气凝华过程，可对水凝华设备进行优化设计。建立了霜层生长物理模型，以及微元传热传质数学模型，该模型对于常压条件下的结霜现象有很好的吻合度。针对深冷表面的结霜现象，建立了竖直深冷表面结霜现象的可视化观测实验装置，分别研究了常压和真空条件下的结霜过程和霜层微观形貌。开展了霜层导热系数的测量工作，霜层的导热系数在霜层生长周期内处于动态变化的过程，在不同真空度下，霜层的导热系数均在0.5-2.7 W/(m•K)之间变化。.通过本项目的研究，将建立分析高真空低温环境下水蒸气凝华成霜动态过程的研究方法，为准确掌握太空环境航天器周围水分子的动态凝华过程打下扎实的理论和实验基础，可推广应用于航天器常压热环境试验领域。