Page 44 - 《真空与低温》2026年第2期
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徐 然等：磁补偿模拟低重力场下液氧气泡非等温运动特性的实验研究                                       163


                  本文基于磁补偿原理的微重力液氧气液分离                           磁场分布及系统参数的详细设计过程已在前期研
              可视化实验系统，重点研究液氧中氧气泡的非等温                            究中进行了系统论述          [30，33] ，本文不再赘述。
              的动力学行为及其在金属网中的分离特性。研究                                  实验区域的示意图如图            1（b）所示。实验腔内
              内容主要包括三个方面：首先，通过动态成像手段                            部水平布置的多孔金属网幕将腔体划分为上下两
              定量分析不同重力条件下气泡的运动特征；其次，                            个功能区：上部为液相传输区，下部为气液共存区。
              探讨入口温度对气泡上升行为的影响；最后，系统                            实验过程中，气体从下腔室注入并在网幕两侧形成
              研究入口温度对金属网气液分离性能的作用机理，                            压差，驱动液体穿过网幕进入上部通道。依托网幕
              重点展示气泡突破过程中的临界压力特性。                               孔隙结构产生的毛细作用，气体在一定压差范围内

                                                                                             [34]
               1 方法                                             被有效阻隔，从而实现气液分离 。当液体持续向
                                                                上输运并经出口排出系统时，可通过精确调节入口
               1.1 实验系统
                                                                压力来控制网幕两侧的压差。一旦该压差超过网
                  图  1 展示了液氧微重力环境的磁补偿原理示
                                                                幕的临界泡破压力，气体将突破毛细屏障进入上部
              意图。该系统的核心原理是在特定空间区域产生
                                                                区域，导致气液分离失效，并在网幕上方形成明显
              与重力相平衡的磁力以抵消重力。实验测试单元
                                                                           [34]
                                                                的两相流动 。本研究选用的分离介质为 Dutch
              被置于超导线圈产生的高梯度磁场区域内。由于
                                                                Twill 203×1600 型编织金属网。
              液氧具有顺磁性特性，其在非均匀磁场中会受到向
                           [32]
              上的磁力作用 ，该力可抵消向下的重力分量。当                                 实验测试系统的总体构成如图                2 （a）所示，主
              磁力与重力达到平衡时，系统实现磁力补偿，使液                            要由可视化观测、参数测量以及低温冷却三部分
              氧中的气泡处于微重力状态。磁力系统由两组线                             组成。测试段整体布置于圆柱形真空腔体内，其中
              圈组成：亥姆霍兹线圈组用于产生均匀的背景磁场；                           液氧实验腔作为关键测量单元，被安装在液氮低温
              麦克斯韦线圈组用于产生所需的梯度磁场。                               恒温器顶部。为满足低温条件下的高分辨率成像
                                                                需求，系统采用定制化的潜望镜式光学成像系统，
                亥姆霍兹线圈                                 出口       实现对实验腔内部流动过程的实时观测。
                                磁场力
                麦克斯韦线圈                                               液氧实验腔的结构示意及尺寸如图                 2 （b）所示。
                                                  y
                                                    r           坐标系定义如下：y 轴垂直于法兰平面，r 轴为法兰
                实验区域                                   网幕
                                                       气泡       的径向，θ 为绕 r 轴的周向角；坐标原点位于中间法
                  受力矢量          重力                     液氧       兰的中心。该装置由两根石英玻璃管和三个 10 mm
                  磁力线
                （局部视图）                                 进口       厚的法兰端盖构成，设计承压能力为 0.5 MPa，腔体
                    （a）磁补偿原理示意图            （b）实验区域示意图
                                                                直径为 D c =20 mm，石英玻璃管壁厚为 5 mm。实验
               图  1 液氧微重力环境的磁补偿原理及实验区域示意图                [31]   腔介绍参见文献         [31] 的研究叙述。腔体内布置了
              Fig. 1 Diagram of theoretical framework of magnetic compen-  三个 Cernox 温度传感器（T 1 –T 3 ），各传感器通过螺
                sation and showing the layout of the experimental domain [31]  钉固定并辅以导热介质，以提高测温精度和响应一

                  依据电磁学原理，处于非均匀磁场中的物质将                          致性。腔体外部通过            6.35 cm（1/4 英寸）管路与压
              受到由磁化率差异引起的体积力作用，如式（1）所                           力接口实现工质输运及压力监测。为实现稳定而
              示。其中顺磁性流体（液氧）与抗磁性流体（液氢）                           精确的温度调控，系统配置了三组加热棒（HT 1 –
                                              [30]
              在磁场梯度方向上的受力方向相反 。                                 HT 3 ）。图  3 给出了实验设施整体布局的实物照片。
                               −→   χ   ( )                      1.2 实验步骤
                               F m =   ∇ B 2           （1）
                                                                     在实验准备阶段，首先将液氧实验腔整体加热
                                    2µ 0
              式中：χ 为所考虑材料的磁化率；μ 0 为真空磁导率；                       至 350 K，并借助涡轮分子泵对系统进行抽真空处
              B  为施加的磁场；      ∇为矢量梯度算子。为实现液氧                    理。随后向腔体内通入高纯氧气，重复至少三次抽
              在低温条件下的重力补偿，在 90 K 时所需的磁场                         空-充入循环，以有效排除残余空气。完成置换后，
                         2
                                  2
                                     [30]
              条件为    ∇（B ）= 8.15 T /m 。基于这一约束，超导                将系统出口压力稳定控制在              0.35 MPa，从而避免外
              磁体被设计为在实验中心区域提供 2.0 T 的磁场强                        界空气倒灌。完成气体环境建立后，流体实验系统
              度，并满足相应的磁场梯度要求。有关磁体结构、                            被安装于超导磁体系统下方，并通过三轴高精度调
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