池沸腾现象中热毛细对流的成因

针对微重力条件下单组份液体池沸腾现象，探讨了有关热毛细效应作用及其成因的不同观点，指出正确描述气液相变界面两侧的温度关系是解决争议的关键．详细评述了现有的气液相变界面温度模型，发现气液相变的非平衡特征会导致气液界面上产生温度梯度，引起表面张力的显著差异，从而驱动热毛细对流的形成．但现有气液相变界面温度模型机理差异迥然，预测结果也差别很大，因此，需要更深入研究．

过冷核态池沸腾中的Marangoni效应

分析了过冷核态池沸腾过程中气泡横向运动现象,指出其成因在于相邻气泡界面温度差引起的Mara- ngoni对流对周围液体的吸引.通过对该流动的尺度分析,得到了气泡横向运动特征速度及其可观测度的估算公式,其预测结果与实验观测相一致.特别是对极细小的初始核化气泡,该公式预测了强烈的横向Marangoni对流会导致气泡顶端微射流的形成.该效应在加热面水平向下或微重力沸腾等气泡脱落频率较低的情形中尤为重要.

双模态过渡池沸腾实验研究

利用控制加热电压和加热面平均温度两种方法，实验研究了常压（0．1MPa）、室温（16℃）条件下除气后的R113在直径60μm细铂丝表面的池沸腾传热现象，观测了单相对流、核态沸腾、双模态过渡沸腾和膜态沸腾4种传热模式中的汽相分布及其传热特征，发现充分发展的核态沸腾传热曲线、膜态沸腾传热曲线及临界热流的数值分别与文献中常用关联式的预测一致，而核态沸腾和膜态沸腾共存的稳定双模态过渡沸腾曲线被一极小值点分为两个连续分支，邻近膜态沸腾的右支上热流与过热度成正比，而邻近核态沸腾的左支上热流则随过热度增长而下降，并且只出现在加热面平均温度受控的实验中．

微重力池沸腾实验研究

本文利用我国第22颗返回式卫星开展了微重力条件下过冷池沸腾传热实验研究。实验中采用桥式自反馈电路控制加热面温度，加热元件为长30mm、直径60pm的铂丝，实验工质为0．1MPa压力下过冷度为26℃的R113。实验发现，沸腾起始温度不受重力水平影响，而微重力核态沸腾传热略有增强，汽泡脱落行为也有着不同的特征。

微重力池沸腾现象中的汽泡脱落直径

本文报道了空间微重力池沸腾过程中的汽泡脱落现象，观测到微重力条件下小汽泡行为与常重力时相似，但在中等尺寸范围内，汽泡往往粘附在加热丝上做横向振动，并不断合并所碰到的小汽泡，直到超过临界尺寸后脱落。本文在Lee模型（1992）的基础上引入热毛细作用力，成功地解释了实验观测到的独特的汽泡动力学行为特征。

微重力池沸腾现象中的汽泡行为特性

本文对准稳态加热条件下的微重力核态池沸腾中的汽泡行为特征进行了实验研究，分析了初始核化过程、汽泡数密度、汽泡尺寸及其运动速度等的变化趋势，探讨了过冷度及加热历史等因素对相关特性的影响。实验发现：微重力条件下汽泡生成后沿加热面不停地移动；原生汽泡会聚合形成大汽泡，大汽泡不断捕掠小汽泡而长大，直到大汽泡覆盖整个加热面；汽泡生长速度随过冷度增加而变慢。

An Experimental Study of Kerosene Combustion in a Supersonic Model Combustor Using Effervescent Atomization

Investigation of kerosene combustion in a Mach 2.5 flow was carried out using a model supersonic combustor with cross-section area of 51 mm?70 mm, with special emphases on the characterization of effervescent atomization and the flameholdering mechanism using different integrated fuel injector/flameholder cavity modules. Direct photography, Schlieren imaging, and Planar Laser Induced Fluorescence (PLIF) imaging of OH were utilized to examine the cavity characteristics and spray structure, with and without gas barbotage. Schlieren images illustrate the effectiveness of gas barbotage in facilitating atomization and the importance of secondary atomization when kerosene sprays interacting with a supersonic crossflow. OH-PLIF images further substantiate our previous finding that there exists a local high temperature radical pool within the cavity flameholder and this radical pool plays a crucial role in promoting kerosene combustion in a supersonic combustor. The present results also demonstrate that the cavity characteristics can be different in non-reacting and reacting supersonic flows. As such, the conventional definition of cavity characteristics based on non-reacting flows needs to be revised.

丝状加热面池沸腾临界热流尺度效应研究

本文以丝状加热表面上的池沸腾传热现象为主要研究对象，利用地面常重力实验，研究了不同热丝直径、不同过冷度下（(0～40℃）的丝状加热片面FC-72液体和丙酮液体的池沸腾传热特性。 本文利用自主研发的一套可控过冷度池沸腾实验设备，使用纯度为99.99%的铂丝同时作为加热元件和测温元件，加热丝直径分别为0.06mm、0.025mm、0.1mm，长度为30mm。实验采用控制加热电压按阶梯形式增长或下降（时间常数约20s）的稳态加热方式。 实验所得单相自然对流传热数据同Kuehn-Goldstein（1976）换热公式预测结果具有较高的一致性，说明实验设备可靠、实验数据可信。 实验过程中发现，在相同压力条件下，随着过冷度的增加，沸腾传热强化；CHF值在低过冷度时呈线性增加，然后增加趋势变缓。丙酮实验中，0.06mm热丝和0.1mm热丝在低过冷度(2.5～10℃)情况下都出现了从自然对流直接进入双膜态现象，不过，当降低加热电压时，膜态沸腾仍转化为核态沸腾，此时继续增高加热电压，沸腾曲线仍沿常规核态沸腾曲线上升至CHF后，再转换为膜态沸腾。对于同等直径热丝，无论核态沸腾或双膜态沸腾，在丙酮中所产生汽泡尺寸明显偏大。 过冷沸腾中，临界热流随过冷度的增加呈现出非线性依赖关系。在低过冷度线性区，FC-72中实验结果与几种低过冷度线性模型较一致；丙酮中实验结果 随 变化斜率明显高于几种低过冷度线性模型的预测，显示出对尺度的依赖关系。这说明在小Bond数时存在尺度效应对过冷度的影响，即对于小Bond数情况过冷度和尺度效应的耦合作用是非常重要的。 饱和沸腾中，FC-72和丙酮的CHF值随热丝直径的减小而不断增加，其中，FC-72的CHF数值尽管比LD模型预测结果略低，但定性地依然可用LD模型进行描述，尽管相比于LD模型原始的适用范围 已扩大了1~2个数量级；但丙酮的实验数据却远小于LD模型预测结果。综合分析表明，尽管热丝直径相同，但物性的差异使得FC-72和丙酮实验中的数据点分别处于不同的尺度特征区域，反映了小Bond数情形下分区准则的物性依赖性。

Boiling heat transfer enhancement by using micro-pin-finned surface for electronics cooling

For efficiently cooling electronic components with high heat flux, experiments were conducted to study the flow boiling heat transfer performance of FC-72 over square silicon chips with the dimensions of 10 × 10 × 0.5 mm3. Four kinds of micro-pin-fins with the dimensions of 30 × 60, 30 × 120, 50 × 60, 50 × 120 μm2 (thickness, t × height, h) were fabricated on the chip surfaces by the dry etching technique for enhancing boiling heat transfer. A smooth surface was also tested for comparison. The experiments were made at three different fluid velocities (0.5, 1 and 2 m/s) and three different liquid subcoolings (15, 25 and 35 K). The results were compared with the previous published data of pool boiling. All micro-pin-fined surfaces show a considerable heat transfer enhancement compared with a smooth surface. Flow boiling can remarkably decrease wall superheat compared with pool boiling. At the velocities lower than 1 m/s, the micro-pin-finned surfaces show a sharp increase in heat flux with increasing wall superheat. For all surfaces, the maximum allowable heat flux, qmax, for the normal operation of LSI chips increases with fluid velocity and subcooling. For all micro-pin-finned surfaces, the wall temperature at the critical heat flux (CHF) is less than the upper limit for the reliable operation of LSI chips, 85◦C. The largest value of qmax can reach nearly 148 W/cm2 for micro-pin-finned chips with the fin height of 120 μm at the fluid velocity of 2 m/s and the liquid subcooling of 35 K. The perspectives for the boiling heat transfer experiment of the prospective micro-pin-finned sur- faces, which has been planned to be made in the Drop Tower Beijing/NMLC in the future, are also presented.

微重力准稳态池沸腾中的气泡动力学研究

本文实验研究了微重力条件下的准稳态核态池沸腾现象中的气泡动力学特征及其对传热特性的影响,发现在低过冷度沸腾中,聚合汽泡表面的强烈振荡促进了整个加热面上的核化过程与核态沸腾传热;而高过冷沸腾中,聚合气泡在表面张力作用下呈球状,难以覆盖整个加热表面,导致核态沸腾向膜态沸腾的过度过程表现为"核态沸腾+局部的干斑扩展"现象,相应的传热曲线没有明显转折.微重力条件下池沸腾临界热流随过冷度和压力的增加而升高,与地面结果定性相符.

微重力池沸腾传热实验研究

本文实验研究了平板加热面FC-72液体的准稳态池沸腾传热现象,利用地面常重力实验、SJ-8卫星搭载微重力实验等手段,分析了不同重力、压力及过冷度条件下平板加热面上的池沸腾传热特性.微重力条件下,相近压力或过冷度时,传热系数和CHF随过冷度或压力增大而增大.相对常重力,传热曲线明显变缓,沸腾起始时的壁面过热度降低,CHF仅为常重力的40%或更低.

微重力池沸腾传热研究

对利用中国返回式卫星搭载开展的两次微重力池沸腾空间实验及地基常重力和落塔短时微重力实验的结果进行了评述.研究发现微重力时丝状加热器沸腾传热会略有强化,而平板力加热器则在高热流条件下明显恶化.微重力时,气泡脱落前存在沿加热面的横向运动,加剧了相邻气泡间的合并,合并气泡会在其表而振荡作用下从加热面脱落.Marangoni效应对于微重力气泡行为有重要影响.

CO2浓度升高对羊草草原生产力和碳平衡的影响

自工业革命以来，大气的C02浓度以前所未有的速度增加，已经由280μmol mol-1升高到了360μmol mol-l。据预测，到下个世纪中／末期，C02浓度将为目前的二倍。C02浓度升高及其引起的全球气候变化必将影响到植物的生长发育，进而对整个生态系统产生巨大影响。因此，有关C02浓度升高对各类生态系统的影响的研究引起了广泛关注，成为近年来的研究热点。早期的研究多数集中于考察C02浓度升高对植物个体水平生长发育的影响。然而，高C02对植物的效应严重依赖于具体物种和具体环境条件，使得基于由短期盆栽实验获得的研究结果不能够有效地预测自然生态系统的行为。因此，长期、原位处理实验越来越受到重视。由于原位研究的难度较大，目前这方面的研究还不是很多。有限研究结果显示，由于生境条件和种间关系方面的巨大差异，自然生态系统对C02浓度升高的反应迥异。 草原生态系统由于C02浓度控制上比较容易实现，而且其物质循环相对较快，因而一直是C02富集实验研究最多的一类植被，生态系统水平的研究更是如此。然而涉及的区域和草原类型并不多，不足以进行可靠预测。目前，关于C02升高效应，研究比较系统的草原生态系统主要集中在：美国Kansas的高草草原、美国California的一年生草原、瑞士西北部的石灰质草原、美国Colorado的矮草草原和一些牧场。我国总土地面积的40%为草地，类型丰富，然而相关研究不多，尤其是对自然生态系统的原位研究几乎为空白。 为揭示C02浓度升高对羊草草原生产力和碳平衡的效应，我们在中国科学院内蒙古草原生态系统定位研究站的永久羊草样地开展了两年的C02倍增实验(2001，2002)。在羊草样地选择相对均匀地段设置12个开顶式气室（直径1.8m），每个气室内分成4个小样方(0.5m×0.5m)，其中6个气室在生长季给予加倍C02处理（约600μmol mol-l），另6个气室不补充C02（约300μmol moI-l）。地上部分用收割法取样，分种记录数量、高度和重量等指标，地下部分取样用环刀法。用Li-cor6400光合系统测定群落光合和呼吸速率。野外实验结束后，统一分析植物和土壤样品中的C、N等元素含量。另外，在内蒙古草原站院内设置了两组桶培实验，一组是取自羊草样地的带苗原状土，一组是取自羊草样地的混匀土，种上冰草(Agropyron cristatum)、紫花苜蓿(Medicago sativa)和无芒雀麦(Bromus inermis)的种子。2组桶培实验分别用两个水分梯度和两个C02梯度处理。水分处理分别为：浇水处理——每4天浇lOOOml水，相当于平均降雨量的160%;干旱处理——持续干旱，适时补水以保持植物不萎蔫，共浇水4000ml水。C02处理和取样方法与样地原位实验相同。主要研究结果和结论如下： 1)两年的C02加倍处理没有使羊草草原的生物量、植物种和功能型组成发生显著改变，桶培实验中，浇水处理显著促进了植物生长，原状土植物、种子苗实验的冰草和无芒雀麦对C02加倍处理同样不敏感，而种子苗实验的豆科植物紫花苜蓿在C02加倍处理下生物量显著提高。以上结果显示，由于水分和养分（特别是N）的限制，以及优势植物对C02的相对不敏感，C02浓度升高对羊草草原地上生物量和结构的效应相对不大。 2)羊草草原的根垂直分布在加倍C02条件下发生显著改变，但根生物量对C02加倍处 理相对不敏感。在4次取样中只有一次对C02加倍处理表现出显著变化，根长的变化与根生物量的变化不完全一致，根的比根长在加倍C02条件下增加。根垂直分布的变化趋势与降雨的时间分布相适应，干旱少雨时期C02使下层根量增加，多雨时期C02则使上层根量增加。以上结果显示，根的空间分布比根生物量对C02加倍处理更敏感。水分是根空间分布变化的驱动因子，加倍C02条件下，根空间分布的变化趋势倾向于优化对水分的充分利用。 3)加倍C02处理使羊草草原的群落光合速率显著提高，群落呼吸速率显著降低，因而使群落碳净输入量增加。土壤碳贮量占羊草草原碳总贮量的70%以上，碳总贮量及其组分（包括地上碳贮量、根碳贮量、土壤碳贮量）在两个C02浓度处理之问均没有显著差异。另外，加倍C02处理使羊草草原群落及其优势植物羊草的c：N比增加。以上结果显示，在加倍C02条件下羊草草原的碳净输入量增加，这意味着在未来高 C02条件F，羊草草原将作为碳汇对大气C02起反馈调节作用。其碳贮量对加倍C02 处理的不敏感与许多以前的研究结果相似，一般认为是由于土壤碳贮量本底太大， 掩盖了C02效应，这还有待于更长期原位实验的证实。羊草草原群落c：N比在高C02 浓度下的变化将影响凋落物降解、N素循环和动植物营养关系等，进而对生态系统 功能产生深远影响。

开垦和放牧对内蒙古草原土壤碳库和温室气体通量的影响

本文采用野外观测和室内测定相结合的方法，研究了内蒙古草原两种主要的土地利用方式（开垦和放牧）对土壤碳库和温室气体通量的影响，结果如下： 1．内蒙古草甸草原开垦后30年后，与天然草原相比，在休闲年份0～20 cm土壤有机碳和土壤微生物量碳含量均没有显著下降，但开垦导致土壤易分解碳下降了24%。土壤易氧化碳受季节性水热因子的驱动，表现出明显的季节变化动态。因此，土壤易分解碳的较土壤碳库的其他组分对开垦更敏感，是表征土壤管理措施引起有机质变化的一个重要指标。 草原开垦后，土壤-植物系统氧化大气甲烷的能力明显提高，农田和天然草原CH4平均吸收通量分别是48.9 和 29.0 μg C m-2 h-1，开垦后增加了1.7倍。开垦没有改变CH4吸收通量 “夏季高秋季低” 的季节变化规律（由降水决定）;开垦使N2O的平均释放通量增加了47%，农田和天然草原N2O平均吸收通量分别是56.6 和 38.6 ugN m-2 h-1;开垦同时也增大了通量的变异幅度;但没有改变N2O季节变化规律，只是出现高峰的时间较天然草原推后约10天左右。 2．开垦后的农田土壤在模拟添加厩肥后，刺激了土壤微生物的呼吸代谢，使CO2的释放量增加了5-7倍。试验期间总体排放的CO2中，约60%来源于羊粪，40% 来源于土壤。两种土壤即羊草顶级草原土壤（高碳高氮）和冷蒿－小禾草退化草原土壤（低碳低氮），在CO2的释放总量和释放比例上都没有显著性差异。添加厩肥均造成两种土壤碳库的净碳损失，并且退化草原土壤（7.0%）的土壤净碳损失要大于羊草草原（2.6%）。说明与开垦后的高C土壤相比，在已经退化草原的低C土壤上施厩肥将趋向于土壤更大的净碳损失。 3．自由放牧22年后，羊草草原0～10 cm土壤有机碳、微生物量碳和易分解碳分别下降了14.1%、27.9%和22.0%;大针茅草原0～5 cm土壤有机碳和微生物量碳分别下降了27.6%和38.2%。两类草原土壤碳组分的季节变化受水热因子的驱动，大针茅草原季节波动出现高峰的时间较羊草草原迟。土壤微生物量碳在表征羊草草原和大针茅草原土壤碳素的动态变化时，要敏感于土壤总有机碳。放牧对冷蒿-小禾草草原土壤各碳素组分影响不明显。在表征放牧对冷蒿-小禾草草原土壤的影响指示上，MB-C/ Org-C和Lab-C/ Org-C要比MB-C和Lab-C更加敏感。这说明在研究放牧对草原土壤碳库影响时，不同的草原类型应使用不同的指标来表征其变化。 内蒙古羊草草原是大气CH4的汇，自由放牧增加土壤对CH4的吸收。CH4平均吸收通量增加了27%，但CH4吸收的季节变化形式没有改变;放牧使。自由放牧还增大了N2O的排放通量，将原来N2O源、汇的双重功能改变为单一的源功能;放牧使N2O平均释放通量增加了1倍;放牧显著增加了羊草草原向大气排放CO2的量（p<0.05），并且年度排放量范围也有所增大。 4．草原羊尿斑土壤的pH和NH4+浓度在施后显著升高，但土壤微生物C和N没有明显变化，尿斑N素会发生大量的流失。粪斑和厩肥斑中各有46%和27%的N素分解后转移到植物中。羊草种群斑块上粪尿斑引起CO2和N2O通量的变化，要大于星毛委陵菜种群斑块。与植被类型的影响相比，羊粪尿斑尤其是尿斑对温室气体通量的影响更大。尿斑既降低了土壤对CH4的吸收，又增加了CO2和N2O的释放，使粪尿斑上相当于CO2的净排放量比对照土壤增加了15%。 在内蒙古草原中等放牧条件下，家畜粪尿斑在放牧草地上的覆盖面积约只有2%，与未被家畜排泄物覆盖的草原土壤 相比，粪尿斑对内蒙古草原温室气体总体收支产生的影响可以忽略不计。因此内蒙古草原地区温室气体减排措施的重点，应放在家畜的食性食量对温室气体的影响以及厩肥的科学利用上。但随放牧强度的加大，家畜排泄物覆盖草地的面积将大大增加，加之放牧生态系统中家畜瘤胃代谢产生的的大量温室气体，其对草原温室气体的核算将会产生的影响也是不容忽视的。

改变土壤碳输入对我国北方温带草原土壤碳、氮库和碳、氮循环的影响

土壤是陆地生态系统最重要的碳库和氮库，在陆地生态系统碳氮循环过程中起着举足轻重的作用。植物光合作用产物向地下的分配(根系分泌、细胞凋亡和根系分解)和地上凋落物分解是土壤碳两个最主要的来源，关于这两种碳输入途径和量如何影响陆地生态系统土壤碳氮库和循环的有限理解，限制了我们预测陆地生态系统碳循环对于全球气候变化的响应和反馈。本实验以我国北方广泛分布的温带典型草原生态系统为研究对象，通过添加和去除地面凋落物以及割草改变植物对土壤的碳输入途径和量，观察温带草原土壤有机碳库和氮库各个组分(微生物生物量碳氮、活性碳、可溶性碳、轻重组碳、总有机碳、总有机氮)及碳氮循环(微生物呼吸、土壤呼吸、生态系统气体交换、净氮矿化)的变化，来区分和量化凋落物分解和根系分泌、分解这两种碳输入方式对草原土壤碳库和循环的相对贡献和影响，有助于揭示在全球变化背景下温带典型草原生态系统碳库和碳循环的响应机制，并为预测其未来变化动态以及对全球气候变化的反馈提供参数估计和模型校正和验证。 我们对各处理样方土壤温度、土壤水分以及土壤呼吸进行了一个生长季的测定，结果表明，添加和去除凋落物都使得土壤呼吸与对照相比都有所增加，但是都没有达到显著水平;而无论地上凋落物的量添加、去除还是不变，植物光合作用对土壤呼吸的影响则比较显著，去除植物显著地降低了土壤呼吸。这说明处理一年后，植物对土壤呼吸起主导作用，而凋落物处理对土壤呼吸的影响还需要更长时间的观察。此外，生物量的结果也表明了地上凋落物的改变会影响到植物生长，从而影响到植物对土壤的碳输入，但是都没有达到显著水平，仍然需要我们进行更长时间的处理和观察。 通过在生长季前期、中期、后期进行了三次氮矿化的测定，以及在生长季后期进行了一次微生物生物量测定，我们得出以下结论：添加凋落物加快了净氮矿化速率，但是没有达到显著影响水平;同样，去除凋落物降低了净氮矿化速率，也没有达到显著水平。此外，添加凋落物处理微生物生物量碳、氮都有所增加，与对照相比没有显著差异，但是显著高于另外几个处理。 通过本研究，我们对于根系分泌和地上凋落物分解这两种碳氮输入途径对我国温带草原碳氮循环的影响有了初步的了解。与森林生态系统相比，由于草原生态系统土壤碳氮含量低，土壤碳库和转化对碳输入途径和量的变化更为敏感，在处理第一年，土壤微生物量和土壤呼吸都发生了显著的变化。然而，由于改变土壤碳库是长时间日积月累的结果，草原生态系统某些指标对碳输入途径和量的变化的响应还需要较长时间才能显示出来，例如添加和去除凋落物虽然使得土壤呼吸值有所增加，但是还都没有达到显著的水平;另外碳输入途径和量的变化对草原生态系统氮矿化还没有产生显著的影响。这些都需要更长时间的处理和观测来验证。