Summary
अंतरिक्ष पेलोड डिजाइन के लिए एक प्रोटोकॉल, थर्मोकेशिका संवहन पर अंतरिक्ष प्रयोग, और प्रयोगात्मक डेटा और छवियों के विश्लेषण इस कागज में प्रस्तुत किए जाते हैं।
Abstract
थर्मोकेशिका संवहन माइक्रोग्रैविटी द्रव भौतिकी में एक महत्वपूर्ण शोध विषय है। एक वलयाकार तरल पूल में थर्मोकेपिलरी संवहन की सतह तरंगों पर प्रायोगिक अध्ययन एसजे-10 वसूली योग्य उपग्रह पर 19 वैज्ञानिक प्रयोगात्मक परियोजनाओं में से एक है । प्रस्तुत थर्मोकेशिका संवहन पर अंतरिक्ष प्रयोगात्मक अध्ययन के लिए पेलोड के लिए एक डिजाइन है जिसमें प्रायोगिक मॉडल, माप प्रणाली और नियंत्रण प्रणाली शामिल है। चर मात्रा अनुपात के साथ एक वलयाकार तरल पूल के एक प्रयोगात्मक मॉडल के निर्माण के लिए विशेष प्रदान की जाती है। तरल पदार्थ तापमान विभिन्न बिंदुओं पर 0.05 डिग्री सेल्सियस की उच्च संवेदनशीलता के साथ छह थर्मोजोड़ द्वारा दर्ज किया जाता है। तरल मुक्त सतह पर तापमान वितरण एक अवरक्त थर्मल कैमरे के माध्यम से कैप्चर किया जाता है। मुक्त सतह विरूपण 1 μm की उच्च सटीकता के साथ एक विस्थापन सेंसर द्वारा पता चला है। प्रायोगिक प्रक्रिया पूरी तरह से स्वचालित है। यह शोध प्रायोगिक आंकड़ों और छवियों के विश्लेषण के माध्यम से तरल मुक्त सतह और संवहनी पैटर्न संक्रमण पर थर्मोकेशिका दोलन घटनाओं पर केंद्रित है । यह शोध थर्मोकेशिका संवहन के तंत्र को समझने में सहायक होगा और थर्मोकेपिलर संवहन के नालोकर विशेषताओं, प्रवाह अस्थिरता और विभाजन संक्रमण में और अधिक अंतर्दृष्टि प्रदान करेगा।
Introduction
अंतरिक्ष में माइक्रोग्रैविटी स्थितियों के तहत, गुरुत्वाकर्षण की अनुपस्थिति के कारण कई दिलचस्प भौतिक घटनाएं प्रस्तुत की जाती हैं। एक मुक्त सतह के साथ तरल में, एक नई प्रवाह प्रणाली (यानी थर्मोकेपिलरी प्रवाह) मौजूद है जो तापमान ढाल या एकाग्रता ढाल के कारण होती है। जमीन पर पारंपरिक संवहन से अलग, थर्मोकेशिका संवहन अंतरिक्ष वातावरण में एक सर्वव्यापी घटना है। चूंकि यह माइक्रोग्रैविटी फ्लूइड फिजिक्स में एक बहुत ही महत्वपूर्ण शोध विषय है, इसलिए अंतरिक्ष के साथ-साथ जमीन पर भी कई प्रयोग किए गए हैं। हाल ही में, एसजे-10 वसूली योग्य वैज्ञानिक प्रयोग उपग्रह पर थर्मोकेशिका संवहन पर अंतरिक्ष प्रयोगात्मक अध्ययन किया गया था। अंतरिक्ष प्रयोग पेलोड में आठ प्रणालियां शामिल थीं, नामत एक तरल प्रयोग प्रणाली, तरल भंडारण और इंजेक्शन प्रणाली, तापमान नियंत्रण प्रणाली, थर्मोकपल माप प्रणाली, अवरक्त थर्मल कैमरा, विस्थापन सेंसर, सीसीडी छवि अधिग्रहण प्रणाली, और विद्युत नियंत्रण प्रणाली, जैसा कि चित्रा 1 (बाएं) में दिखाया गया है। थर्मोकेशिका संवहन की सतह तरंगों पर अनुसंधान के लिए अंतरिक्ष प्रयोग पेलोड चित्रा 1 (दाएं) में दिखाया गया है। यह अध्ययन प्रवाह की अस्थिरता, दोलन घटनाओं और संक्रमणों पर केंद्रित था, जो लैमिनार प्रवाह से अराजकता तक संक्रमण प्रक्रिया में महत्वपूर्ण विशेषताएं हैं। इन मौलिक विषयों पर अध्ययन मजबूत nonlinear प्रवाह के बारे में अनुसंधान के लिए बहुत महत्व है।
वॉल्यूम फोर्स द्वारा संचालित उछाल संवहन के विपरीत, थर्मोकेशिका संवहन दो अचूक तरल पदार्थों के बीच इंटरफेस के भीतर सतह तनाव के कारण एक घटना है। सतह तनाव की भयावहता तापमान, घुलनशील एकाग्रता और बिजली के क्षेत्र की ताकत सहित कुछ स्केलर मापदंडों के साथ बदलती है। जब ये स्कैलर फ़ील्ड इंटरफ़ेस में असमान रूप से वितरित करते हैं, तो मुक्त सतह पर एक सतह तनाव ढाल मौजूद होगा। मुक्त सतह पर तरल पदार्थ सतह तनाव ढाल से प्रेरित होता है ताकि अधिक सतह तनाव के साथ कम सतह तनाव के साथ स्थान से स्थानांतरित किया जा सके। इस प्रवाह की व्याख्या सबसे पहले इटली के भौतिक विज्ञानी कार्लो मारांगनी ने की थी। इसलिए, इसे "मरंगोनी प्रभाव"1नाम दिया गया था। मुक्त सतह पर मैरंगोनी प्रवाह चिपचिपाहट द्वारा आंतरिक तरल तक फैली हुई है और परिणामस्वरूप मैरंगोनी संवहन के रूप में जाना जाता है।
कड़ाई से बोल रहा हूं, एक मुक्त सतह के साथ तरल पदार्थ प्रणाली के लिए, थर्मोकेशिका संवहन और उछाल संवहन हमेशा सामान्य गुरुत्वाकर्षण के तहत एक साथ दिखाई देते हैं। सामान्य तौर पर, स्थूल संवहन प्रणाली के लिए, थर्मोकेशिका संवहन एक मामूली प्रभाव है और आमतौर पर उछाल संवहन की तुलना में अनदेखा किया जाता है। हालांकि, छोटे पैमाने पर संवहन प्रणाली की स्थिति में या माइक्रोग्रैविटी वातावरण में, उछाल संवहन बहुत कमजोर हो जाएगा, या यहां तक कि गायब हो जाएगा, और थर्मोकेशिका संवहन प्रवाह प्रणाली में प्रमुख हो जाएगा। लंबे समय तक, अनुसंधान मानव गतिविधियों और अनुसंधान विधियोंमेंसीमाओं के कारण मैक्रो-स्केल उछाल संवहन पर केंद्रित रहा है 2 ,3,,4। हालांकि, हाल के दशकों में, आधुनिक विज्ञान और प्रौद्योगिकी जैसे एयरोस्पेस, फिल्म, एमईएमएस और nonlinear विज्ञान के तेजी से विकास के साथ, थर्मोकेशिका संवहन पर आगे अनुसंधान की आवश्यकता तेजी से जरूरी हो गई है।
माइक्रोग्रैविटी हाइड्रोडायनामिक्स के बारे में अध्ययनों में महत्वपूर्ण अकादमिक महत्व और आवेदन की संभावनाएं हैं। कई गतिशीलतावादी, भौतिक दवा की दुकानों, जीव विज्ञानियों, और सामग्री वैज्ञानिकों को इस क्षेत्र में काम करने के लिए इकट्ठे हुए हैं । कामोतानी और ऑस्ट्राच ने माइक्रोग्रैविटी कंडीशन,2,5,6,,77,8 के तहत एक वलीयर तरल पूल में थर्मोकेशिका संवहन पर प्रयोग पूरे किए और स्थिर प्रवाह, दोलन प्रवाह और महत्वपूर्ण परिस्थितियों का अवलोकन किया।, श्वाब एट अल. एक समान वलयाकार तरल पूल3,,9 में उछाल-थर्मोकेशिका संवहन का अध्ययन किया और पाया कि आदोलनप्रवाह प्रवाह पहले थर्मोकेपिलरी तरंगों के रूप में दिखाई दिया, और फिर तापमान अंतर में वृद्धि के साथ एक अधिक जटिल प्रवाह के लिए बदल गया । 2002 में, श्वाबे और बेंज एट अल ने रूसी फोटन-12 उपग्रह4,,10पर किए गए एक वलीयर तरल पूल में थर्मोकेशिका संवहन पर प्रयोगों के एक समूह की सूचना दी। उनके अंतरिक्ष प्रयोगात्मक परिणाम जमीन प्रयोगात्मक परिणामों के अनुरूप थे । कुछ जापानी वैज्ञानिकों ने तरल पुल थर्मोकेपिलरी संवहन पर प्रयोगों की तीन श्रृंखलाओं को अंजाम दिया, जिसका नाम है मरंगोनी एक्सपेरिमेंट इन स्पेस (एमईआईएस), अंतरराष्ट्रीय अंतरिक्ष स्टेशन11,,12,,13पर । इन तीन कार्यों में कैमरा, थर्मल इमेजर, थर्मोकपल सेंसर और 3डी-पीटीवी और फोटोक्रोमिक तकनीक सहित कुछ प्रायोगिक उपकरण लागू किए गए थे । विभिन्न पहलू अनुपातों में थर्मोकेशिका संवहन की महत्वपूर्ण स्थितियों का निर्धारण किया गया था, और त्रि-आयामी (3 डी) प्रवाह संरचनाओं को देखा गया था।
पिछले 30 वर्षों में, माइक्रोग्रैविटी विज्ञान चीन में14,15,16,और अंतरिक्ष 17,,18में कई माइक्रोग्रैविटी प्रयोग किए गए हैं ।18 द्रव भौतिकी के क्षेत्र में, पहला माइक्रोग्रैविटी प्रयोग 1 99 9 में एसजे-5 रिकवर करने योग्य उपग्रह पर दो परत तरल पदार्थ का अध्ययन था, और प्रवाह संरचना कण ट्रेसिंग विधि14द्वारा प्राप्त की गई थी। 2004 में, एक बूंद के थर्मोकेशिका प्रवास पर अध्ययन एसजेड-4 पर किया गया था, और माइग्रेशन वेग और क्रिटिकल मच (एमए) संख्या के बीच संबंध15,,16प्राप्त किया गया था। 2005 में, जेबी-417पर बहु-बुलबुला थर्मोकेपिलरी माइग्रेशन पर प्रायोगिक अध्ययन किया गया था, और माइग्रेशन नियमों को प्राप्त किया गया था क्योंकि एमए संख्या को बढ़ाकर 8,000 कर दिया गया था। इस बीच, बुलबुला विलय जैसी समस्याओं का भी अध्ययन किया गया । 2006 में, प्रसार मास ट्रांसफर पर अध्ययन एसजे-8 रिकवर करने योग्य उपग्रह पर किया गया था, मच-ज़ेनडर इंटरफेरोमीटर को पहले अंतरिक्ष प्रयोग में लागू किया गया था, प्रसार मास हस्तांतरण की प्रक्रिया देखी गई थी, और प्रसार गुणांक का मूल्यांकन18किया गया था।
हाल के वर्षों में, थर्मोकेशिका संवहन में दोलन और विभाजन प्रक्रियाओं पर केंद्रित जमीन प्रायोगिक अध्ययनों की एक श्रृंखला का विश्लेषण किया गया है, और उछाल और थर्मोकेपिलरी बल के युग्मित प्रभाव का विश्लेषण किया गया है । प्रायोगिक परिणाम बताते हैं कि जमीनी प्रयोगों में उछाल के प्रभाव को नजरअंदाज नहीं किया जा सकता, क्योंकि यह कई मामलों में19,20,2121,22में प्रमुख भूमिका निभाता है । 2016 में, टीजी-2 पर तरल पुल में थर्मोकेले मिष्ठान पर शोध करने के लिए दो माइक्रोग्रैविटी प्रयोग किए गए थे, और एसजे-10 वसूली योग्य उपग्रह23,,24पर वलयाकार तरल पूल में थर्मोकेशिका संवहन किया गया था। वर्तमान कागज SJ10 पर थर्मोकेशिका संवहन के प्रयोगात्मक पेलोड का परिचय देता है, और अंतरिक्ष प्रयोग परिणाम । ये तरीके थर्मोकेशिका दोलन के तंत्र की खोज में मददगार साबित होंगे।
संवहनी पैटर्न संक्रमण, तापमान दोलन, और तरल मुक्त सतह विरूपण, छह थर्मोकपल, एक अवरक्त थर्मल कैमरा, और आवृत्ति, आयाम, और अन्य भौतिक मात्रा की मात्रा निर्धारित करने के लिए एक विस्थापन सेंसर का निरीक्षण करने के लिए दोलन का उपयोग किया गया था। अंतरिक्ष में थर्मोकेशिका संवहन में दोलन और संक्रमण पर जांच के माध्यम से, माइक्रोग्रैविटी वातावरण में थर्मोकेशिका संवहन का तंत्र, जो अंतरिक्ष में सामग्रियों के विकास के लिए वैज्ञानिक मार्गदर्शन प्रदान करता है, हो सकता है खोज की और समझा। इसके अलावा, इस तरह के अंतरिक्ष प्रयोगों में तकनीकी सफलताओं, जैसे बुलबुले के बिना तरल सतह रखरखाव और तरल इंजेक्शन की तकनीक, तरल पदार्थ में माइक्रोग्रैविटी प्रयोगों की सादगी और तकनीकी स्तर को और बढ़ादेगा भौतिकी.
यह पेपर एसजे-10 वैज्ञानिक प्रायोगिक उपग्रह पर किए गए थर्मोकेशिका सतह तरंग परियोजना के पेलोड विकास और अंतरिक्ष प्रयोग का परिचय देता है। एक अंतरिक्ष प्रयोग पेलोड के रूप में, इस थर्मोकेशिका संवहन प्रणाली में हिंसक सदमे को रोकने के लिए एक मजबूत एंटी-कंपन क्षमता है, खासकर उपग्रह लॉन्चिंग प्रक्रिया के दौरान। रिमोट ऑपरेशन की आवश्यकताओं को पूरा करने के लिए, अंतरिक्ष प्रयोग प्रक्रिया को स्वचालित रूप से नियंत्रित किया जाता है, और अंतरिक्ष प्रयोगात्मक डेटा को अंतरिक्ष यान के ग्राउंड सिग्नल प्राप्त करने वाले स्टेशन और फिर वैज्ञानिकों के प्रायोगिक को प्रेषित किया जा सकता है मंच.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. प्रायोगिक प्रणाली का डिजाइन और तैयारी
- वलयाकार तरल पूल का निर्माण।
- एक तांबे के वलयाकार तरल पूल का निर्माण करें जो आरआई = 4 मिमी आंतरिक व्यास में और आरओ = 20 मिमी बाहरी व्यास में और डी = 12 मिमी ऊंचाई में मापने के लिए।
- तरल पूल के नीचे के रूप में व्यास में आरपी = 20 मिमी मापने वाली पॉलीसुल्फोन प्लेट का उपयोग करें (सामग्री की तालिकादेखें)।
- तरल इंजेक्शन छेद ϕ के रूप में आंतरिक दीवार (सर्कल के केंद्र से 6 मिमी दूर) के करीब व्यास में एक छोटे से छेद को मापने वाला एक छोटा छेद ड्रिल करें।
- इंटरफेस बनाए रखें।
- भीतरी और बाहरी तरफ की दीवारों पर तेज कोनों (45 डिग्री कोण) जोड़ें(चित्रा 2)।
- 12 मिमी से अधिक ऊंचाई तक आंतरिक और बाहरी दीवारों पर एंटी-रेंगने वाले तरल21 (सामग्री की तालिकादेखें) लागू करें।
- वर्किंग लिक्विड का स्टोरेज सिस्टम तैयार करें।
- काम कर रहे तरल के रूप में 2cSt सिलिकॉन तेल चुनें (सामग्री की तालिकादेखें) ।
- सिलिकॉन तेल के भंडारण के लिए कंटेनर के रूप में हाइड्रोलिक सिलेंडर का उपयोग करें (सामग्री की तालिकादेखें)।
- लॉन्च से पहले बुलबुला मुक्त तकनीक का उपयोग करहाइड्रोलिक सिलेंडर के लिए काम कर रहे तरल पदार्थ सुई।
नोट: काम कर रहे तरल पदार्थ में निलंबित बुलबुले प्रयोग की विफलता में परिणाम होगा ।- तरल को 60 डिग्री सेल्सियस तक गर्म करके और लगभग 6 घंटे के लिए दबाव और एलटी; 150 पीए लागू करके सिलिकॉन तेल में गैस का निर्वहन करें।
- तरल भंडारण प्रणाली को तब तक वैक्यूम करें जब तक कि इसका दबाव <200 Pa न हो जाए।
- वाल्व को गैस के बिना वैक्यूम सिलेंडर में भरने की अनुमति देने के लिए वाल्व को राहत दें(चित्रा 3)।
- काम कर रहे तरल के लिए इंजेक्शन प्रणाली स्थापित करें।
- इंजेक्शन या तरल के सक्शन को चलाने के लिए एक कदम मोटर का चयन करें (सामग्री की तालिकादेखें)।
- इंजेक्शन सिस्टम के ऑन-ऑफ स्विच को नियंत्रित करने के लिए एक सोनालिका वाल्व लागू करें (सामग्री की तालिकादेखें)।
- एक सार्वभौमिक संयुक्त(चित्रा 4)का उपयोग कर तरल सिलेंडर के लिए कदम मोटर कनेक्ट ।
- बाहरी व्यास में 4 मिमी मापने वाले पाइप के साथ तरल सिलेंडर, सोनालिका वाल्व और इंजेक्शन छेद को लगातार कनेक्ट करें।
2. तापमान नियंत्रण प्रणाली की स्थापना
- एक हीटिंग फिल्म के साथ भीतरी सिलेंडर एम्बेड (प्रतिरोध आरटी = 14.4 ± 0.5ωω) और एक कश्मीर प्रकार थर्मोकपल के साथ तापमान टीमैं उपाय (सामग्री की तालिकादेखें) ।
- सममित रूप से छह रेफ्रिजरेशन चिप्स संलग्न करें (हर दो चिप्स एक समूह के रूप में समानांतर में जुड़े हुए हैं, और तीन समूहों को एक श्रृंखला में जोड़ा जाता है) बाहरी दीवार से और बाहरी दीवार तापमान टीओ प्राप्त एक अतिरिक्त कश्मीर प्रकार थर्मोकपल का उपयोग करके।
नोट: तापमान का अंतर हैटी = टीआई - टीओ.
3. माप प्रणाली की स्थापना
नोट: सभी उपकरणों को सॉफ्टवेयर द्वारा नियंत्रित किया जा सकता है।
- विभिन्न बिंदुओं पर तापमान को मापने के लिए तरल पूल के अंदर छह थर्मोकपल(टी1-टी T6)रखें। विस्तृत लेआउट चित्र5में दिखाया गया है ।
- अवरक्त कैमरे को सीधे तरल सतह के ऊपर रखें, और ध्यान को समायोजित करने और तरल-मुक्त सतह पर तापमान क्षेत्र की जानकारी एकत्र करने के लिए लेंस को घुमाएं (सामग्री की तालिकादेखें)।
- तरल सतह पर एक निश्चित बिंदु(आर = 12 मिमी) के विस्थापन को मापने के लिए विस्थापन सेंसर को समायोजित करें (सामग्री की तालिकादेखें)।
नोट: लेजर विस्थापन सेंसर इस पेलोड के लिए प्रयोग किया जाता है ताकि एक १०० μs उच्च गति नमूना है, जो 1 μm के एक संकल्प के साथ एक अल्ट्रा उच्च सटीक माप विधि है एहसास करने के लिए, और ± ०.१% F.S की एक linearity - तरल सतह पर ध्यान केंद्रित करने के लिए सीसीडी कैमरे का उपयोग करें और मुक्त सतह के परिवर्तन को रिकॉर्ड करें (सामग्री की तालिकादेखें, चित्र6)।
नोट: प्रभावी पिक्सल की संख्या 752 x 582 है, और न्यूनतम रोशनी 1.6 लक्स/
4. प्रायोगिक प्रक्रिया
- प्रयोग नियंत्रण सॉफ्टवेयर शुरू करें और पावर बटन चालू करें।
- तरल इंजेक्शन करें।
- इसे खोलने के लिए सोनालिका वाल्व पर 12 वी लगाएं।
- मोटर को 2.059 मिमी के चरण में धकेलने और तरल पूल में सिलिकॉन तेल के 10,305 मीटर इंजेक्ट करने के लिए मोटर बटन चालू करें।
- सोनालिका वाल्व को बंद करने के लिए सोनालिका वाल्व शक्ति बंद कर दें।
- रैखिक हीटिंग करें।
- प्रयोगात्मक स्थितियों को इस प्रकार सेट करें: हीटिंग लक्ष्य तापमान टीआई = 50 डिग्री सेल्सियस; ठंडा लक्ष्य तापमान टीओ = 15 डिग्री सेल्सियस; और हीटिंग रेट = 0.5 डिग्री सेल्सियस/मिन।
- डेटा एकत्र करें।
- इंफ्रारेड इमेजर, थर्मोकपल, विस्थापन सेंसर और सीसीडी की संबंधित नमूना आवृत्तियों को क्रमशः 7.5 हर्ट्ज, 20 हर्ट्ज, 20 हर्ट्ज और 25 हर्ट्ज में सेट करें।
- डेटा एकत्र करने प्रणाली के लिए बटन पर क्लिक करें और कंप्यूटर सॉफ्टवेयर(चित्रा 7)का उपयोग करके तापमान, विस्थापन और अन्य जानकारी की निगरानी करें।
- पावर बटन बंद कर दें।
नोट: 1 घंटे रुको ताकि गर्म और ठंडे सिरों का तापमान निम्नलिखित प्रयोग के लिए परिवेश के तापमान के बराबर हो।
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
सटीक मात्रा अनुपात को परिभाषित किया गया था, और सीसीडी द्वारा कैप्चर की गई छवियों के आधार पर तरल सतह स्थलाकृति को खंगाला गया था। महत्वपूर्ण अस्थिरता की स्थिति निर्धारित की गई थी, और एकल बिंदु तापमान संकेतों और विस्थापन दोलन संकेतों पर विश्लेषण के माध्यम से दोलन विशेषताओं का अध्ययन किया गया था । प्रवाह क्षेत्र की संरचना प्राप्त की गई थी, और प्रवाह पैटर्न का संक्रमण समय के साथ अवरक्त छवि के परिवर्तन के माध्यम से निर्धारित किया गया था। प्रवाह विशेषताओं, प्रवाह तंत्र, और विभाजन संक्रमण भी कई प्रयोगात्मक परिणामों पर व्यापक विश्लेषण के माध्यम से अध्ययन किया जा सकता है ।
थर्मोकेशिका संवहन में तरल मुक्त सतह पर तापमान वितरण की कल्पना करने के लिए अवरक्त थर्मल छवियों को प्राप्त किया गया है। कई प्रकार के ऑसिलेटरलफ्लो पैटर्न देखे गए हैं, जिनमें रेडियल दोलन या दक्षिणावर्त/वामावर्त परिचारक घूर्णन(चित्रा 8)शामिल हैं । थर्मोकेपिलरी प्रवाह पहले रेडियल दोलन के लिए अपनी स्थिरता और संक्रमण खो देता है, और फिर परिधि घूर्णन तरंगों के लिए। यह पाया गया है कि स्थिर थर्मोकेपिलरी संवहन एक खड़ी लहर के लिए विकसित होता है, फिर एक यात्रा की लहर, और अंत में यात्रा की लहर और खड़े लहर की युग्मन स्थिति के लिए।
थर्मोकेपिलरी प्रवाह प्रणाली में विभिन्न स्थानों पर तापमान कुछ मात्रा अनुपात(वीआर = 0.715) पर थर्मोजोड़ के साथ मापा गया था। चित्रा 9 (बाएं) से पता चलता है कि तरल पदार्थ के अंदर तापमान में वृद्धि के साथ तापमान में वृद्धि हुई। तापमान क्षेत्र में समय-समय पर उतार-चढ़ाव होता रहता है एक बार तापमान का अंतर एक निश्चित सीमा से अधिक हो जाता है, यह दर्शाता है कि थर्मोकेशिका संवहन स्थिर स्थिति से एक दोलन स्थिति में विकसित हुआ। इसके अलावा, प्रवाह क्षेत्र विकसित होते ही आदोलनकारी तापमान का आयाम बढ़ गया। चित्रा 9 (दाएं) में स्पेक्ट्रम विश्लेषण इंगित करता है कि महत्वपूर्ण दोलन आवृत्ति 0.064 हर्ट्ज थी।
तरल-मुक्त सतह के विरूपण का अध्ययन सबसे पहले प्रत्यक्ष माप के माध्यम से किया गया था। विस्थापन सेंसर द्वारा मापी गई मुक्त सतह के लिए बड़ी संख्या में विरूपण डेटा की तुलना करके, और थर्मोजोड़द्वारा मापा गया तरल पदार्थ का तापमान डेटा, यह देखा गया कि सतह विरूपण और तरल पदार्थ में तापमान क्षेत्र एक ही समय में और एक ही आवृत्ति(चित्रा 10)पर दोलन करने लगा।
चित्रा 1: अंतरिक्ष प्रयोगात्मक पेलोड। (बाएं) पेलोड की योजनाबद्ध। (दाएं) अंतरिक्ष प्रयोग पेलोड की छवि। थर्मोकेशिका संवहन अवरक्त कैमरा, सीसीडी और विस्थापन सेंसर के माध्यम से मनाया जा सकता है। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।
चित्रा 2: योजनाबद्ध और वलयाकार तरल पूल की छवि। जब दोनों सिरों के बीच तापमान का अंतर था, तो वलयाकार तरल पूल के अंदर थर्मोकेशिका संवहन उत्पन्न हुआ था। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।
चित्रा 3: वैक्यूम फिलिंग डिवाइस और भरने की प्रक्रिया। प्रक्षेपण से पहले की गई इस प्रक्रिया ने यह सुनिश्चित किया कि अंतरिक्ष प्रयोगों के दौरान तरल में कोई बुलबुले उत्पन्न नहीं किए गए थे। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।
चित्रा 4: स्टेपर मोटर और सिलेंडर के बीच संबंध की योजनाबद्ध। सिलेंडर से सिलिकॉन तेल निर्वहन या सक्शन को स्टेपपर मोटर के पुश/पुल स्विच को नियंत्रित करके महसूस किया जा सकता है । कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।
चित्रा 5: थर्मोजोड़ ों की स्थापना स्थान। विभिन्न ऊंचाइयों और अजीमुथल कोणों पर तापमान संकेत यात्रा तरंग विशेषताओं का विश्लेषण कर सकते हैं। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।
चित्रा 6: वलयाकार तरल पूल की सीसीडी छवि (केस 13, वीआर = 0.715)। तरल स्तर चढ़ते हैं या नहीं छवि द्वारा पहचाने जा सकते हैं या नहीं। वॉल्यूम रेशियो भी इमेज के एज प्रोसेसिंग से हासिल किया जा सकता है। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।
चित्रा 7: वास्तविक समय तापमान नियंत्रण वक्र (केस 13, वीआर = 0.715)। यह 0.5 डिग्री सेल्सियस/मिन की दर वाला रैखिक हीटिंग मोड है। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।
चित्रा 8: एक अवधि में मुक्त सतह पर तापमान क्षेत्र (केस 13, वीआर = 0.715)। (क)हाइड्रोथर्मो तरंग की अवरक्त थर्मल छवियां। (ख)के इसी 3 डी रेखांकन(ए)। (ग)में मूल छवियों की इसी आवधिक उपऔसत छवियां(ए)। कोल्ड जोन और हॉट जोन जोड़ों में बारी-बारी से दिखाई देते हैं। लाल = उच्च तापमान; नीला = कम तापमान। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।
चित्रा 9: तापमान माप (केस 13, वीआर = 0.715)। (बाएं) तापमान में अंतर की वृद्धि के साथ तापमान दोलन। (दाएं) में संकेतों की इसी महत्वपूर्ण आवृत्ति स्पेक्ट्रम(ए)। पीएसडी = पावर स्पेक्ट्रल घनत्व। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।
चित्रा 10: तरल मुक्त सतह के दोलन माप (केस 13, वीआर = 0.715)। (बाएं) तापमान में अंतर बढ़ने के साथ विस्थापन। (दाएं) बाएं पैनल में संकेतों की इसी आवृत्ति स्पेक्ट्रम। जब तापमान का अंतर एक निश्चित सीमा से अधिक हो जाता है, तो विस्थापन समय-समय पर उतार-चढ़ाव करेगा, और तापमान में अंतर बढ़ने के साथ आयाम बढ़ जाता है। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
अंतरिक्ष संसाधनों की सीमा के कारण, पूरे उपकरण की मात्रा केवल 400 मिमी × 352 मिमी × 322 मिमी है, जिसका वजन केवल 22.9 ± 0.2 किलो है। प्रायोगिक उपकरणों का चयन और शिलान्यास करते समय यह बहुत असुविधाजनक है, और प्रवाह प्रणाली की स्थापना महत्वपूर्ण कदम बन जाती है। इसलिए, बढ़ते तापमान अंतर तरल पूल के दो सिरों पर सेट किया जाता है ताकि तरल पदार्थ प्रवाह घटना ओं की एक श्रृंखला उत्पन्न कर सके। एक ही प्रयोग में स्थिर से दोलन तक संवहन की पूरी प्रक्रिया का पालन करने के लिए, 2cSt सिलिकॉन तेल को अपनी पारदर्शिता और उचित भौतिक मापदंडों के कारण काम करने वाले तरल के रूप में चुना जाता है। इसके अलावा, सतह तनाव के कारण, तरल सतह घुमावदार होती है। विस्थापन सेंसर का अवलोकन बिंदु आंतरिक और बाहरी व्यास के केंद्र में होना चाहिए।
भौतिक गुणों के कारण त्रुटियों की उपेक्षा करने पर, प्रायोगिक मापदंडों की अनिश्चितता प्राप्त की जा सकती है। थर्मोकेशिका संवहन की महत्वपूर्ण दहलीज की सिंथेटिक मानक अनिश्चितता 1.11% होना निर्धारित किया गया था। तरल वाष्पीकरण और मात्रा पढ़ने सहित कारकों के कारण मात्रा अनुपात की अनिश्चितता 4.00% के भीतर है, जिसके बीच तापमान माप और तरल पूल के ज्यामितीय आयामों के कारण मानक यादृच्छिक अनिश्चितताएं क्रमशः 0.05 डिग्री सेल्सियस और 0.01 मिमी हैं। तरल इंजेक्शन/सक्शन के लिए कदम मोटर द्वारा महसूस की गई दूरी, और मोटर की न्यूनतम आंदोलन इकाई 1 गिनती = 3.5 ×10-6 मिमी है। तरल इंजेक्शन/सक्शन और तरल पूल के ज्यामितीय आयामों द्वारा शुरू की गई अनिश्चितताओं के साथ संयुक्त, मात्रा अनुपात की अंतिम सिंथेटिक अनिश्चितता 4.07% है।
उपग्रह के सीमित उड़ान समय के कारण मूल्यवान अंतरिक्ष प्रायोगिक डेटा के केवल 23 समूह प्राप्त किए गए हैं, और एक बड़े तापमान अंतर (४० डिग्री सेल्सियस से ऊपर) पर प्रयोग अभी तक किए जाने हैं । इसके अलावा, अंतरिक्ष संसाधनों की सीमा के कारण, मॉडल में वास्तविक औद्योगिक क्रिस्टल विकास विधि की तुलना में रोटेशन फ़ंक्शन का अभाव है।
उपकरण ों के विकास के संदर्भ में, दो प्रमुख समस्याओं का समाधान किया गया है, अर्थात् तरल मुक्त सतह का रखरखाव और बुलबुले के बिना तरल इंजेक्शन, दोनों अंतरिक्ष प्रयोगों के सफल कार्यान्वयन में महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं । इन दो प्रमुख प्रौद्योगिकियों को बाद के अंतरिक्ष प्रयोगों पर भी सफलतापूर्वक लागू किया गया है, जैसे तियांगोंग-2 अंतरिक्ष मिशन में, और भविष्य में अतिरिक्त अंतरिक्ष प्रयोगों पर भी लागू किया जाएगा ।
SJ10 थर्मोकेपिलरी संवहन पर आधारित प्रायोगिक उपकरण और अवलोकन विधि तरल यांत्रिकी, माइक्रोग्रैविटी भौतिकी, वास्तविक औद्योगिक क्रिस्टल विकास, और संभवतः कई अन्य के अध्ययन के लिए वैज्ञानिक आधार और तकनीकी सहायता प्रदान कर सकती है कई अनुप्रयोगों।
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
हमारे पास खुलासा करने के लिए कुछ नहीं है ।
Acknowledgments
ऐसे कई प्रतिभागी हैं जिन्होंने इस पेपर में रिपोर्ट किए गए काम में योगदान दिया है, जिसमें हमारी परियोजना टीम के सभी सदस्य, साथ ही अंतरिक्ष यात्री अनुसंधान और प्रशिक्षण केंद्र (एसीसी) और न्यूसॉफ्ट के कुछ लोग शामिल हैं।
इस काम को अंतरिक्ष विज्ञान, चीनी विज्ञान अकादमी पर रणनीतिक प्राथमिकता अनुसंधान कार्यक्रम द्वारा वित्त पोषित किया जाता है: एसजे-10 वसूली योग्य वैज्ञानिक प्रयोग उपग्रह (अनुदान नहीं । XDA04020405 और XDA04020202-05), और चीन के राष्ट्रीय प्राकृतिक विज्ञान फाउंडेशन (U1738116) के संयुक्त कोष द्वारा ।
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| anti-creeping liquid | 3M | EGC-1700 | |
| CCD | WATTEC | WAT-230VIVID | |
| Displacement sensor | Panasonic | HL-C1 | |
| Heating film | HongYu | 125 Q/W335.1A | |
| Hydraulic cylinder | FESTO | ADVU-40-25-P-A | |
| Infrared camera | FLIR | Tau2 | |
| LED | 693 Institute | 10257MW7C | |
| Montor | PI | M-227 | |
| Montor controller | PI | C-863 | |
| Pipe, 4mm | FESTO | PUN-4X0,75-GE | |
| polysulfone plate | 507 Institute | ||
| Refrigeration chip | Zhongke | 9502/065/021M | |
| Silicon oil, 2cSt | Shin-Etsu | KF-96 | |
| Solenoid | FESTO | MFH-2-M5 | |
| Temperature controller | Eurotherm | 3304 | |
| Thermocouple, K-type | North University of China | ZBDX-HTTK |
References
- Scriven, L. E., Sternling, C. V.
- Kamotani, Y., Chang, A., Ostrach, S. Effects of heating mode on steady antisymmetric thermocapillary flows in microgravity. Heat Transfer in Microgravity Systems, Trans. American Society of Mechanical Engineers. 290, https://heattransfer.asmedigitalcollection.asme.org/ 53-59 (1994).
- Benz, S., Schwabe, D. The three-dimensional stationary instability in dynamic thermocapillary shallow cavities. Experiments in Fluids. 31, 409-416 (2001).
- Schwabe, D. Buoyant-thermocapillary and pure thermocapillary convective instabilities in Czochralski systems. Journal of Crystal Growth. 237-239, 1849-1853 (2002).
- Kamotani, Y., Ostrach, S., Pline, A. Analysis of velocity data taken in surface tension drivenconvection experiment in microgravity. Physics of Fluids. 6, 3601-3609 (1994).
- Kamotani, Y., Ostrach, S., Pline, A. A thermocapillary convection experiment in microgravity. Journal of Heat Transfer. 117, 611-618 (1995).
- Kamotani, Y., Ostrach, S., Pline, A. Some temperature field results from the thermocapillary flow experiment aboard USML-2 spacelab. Advances in Space Research. 22, 1189-1195 (1998).
- Kamotani, Y., Ostrach, S., Masud, J. Microgravity experiments and analysis of oscillatory thermocapillary flows in cylindrical containers. Journal of Fluid Mechanics. 410, 211-233 (2000).
- Schwabe, D., Benz, S., Cramer, A. Experiment on the Multi-roll-structure of thermocapillary flow in side-heated thin liquid layers. Advances in Space Research. 24 (10), 1367-1373 (1999).
- Schwabe, D., Benz, S. Thermocapillary flow instabilities in an annulus under microgravity results of the experiment MAGIA. Advances in Space Research. 29, 629-638 (2002).
- Kawamura, H., et al. Report on Microgravity Experiments of Marangoni Convection Aboard International Space Station. Journal of Heat Transfer. 134 (3), 031005 (2012).
- Sato, F., et al. Hydrothermal Wave Instability in a High-Aspect-Ratio Liquid Bridge of Pr > 200. Microgravity Science and Technology. 25 (1), 43-58 (2013).
- Yano, T., et al. Instability and associated roll structure of Marangoni convection in high Prandtl number liquid bridge with large aspect ratio. Physics of Fluids. 27 (2), 024108 (2015).
- Yao, Y. L., Liu, Q. S., Zhang, P., Hu, L., Liu, F., Hu, W. R. Space Experiments on Thermocapillary Convection and Marangoni Convection in Two Immiscible Liquid Layers. Journal of the Japan Society of Microgravity Application. 15, 394-398 (1998).
- Zhang, P., et al. Space experimental device on Marangoni drop migrations of large Reynolds numbers. Science in China. 44 (6), Series E. 605-614 (2001).
- Xie, J. C., Lin, H., Zhang, P., Liu, F., Hu, W. R. Experimental investigation on thermocapillary drop migration at large Marangoni number in reduced gravity. Journal of Colloid and Interface Science. 285, 737-743 (2005).
- Kang, Q., Cui, H. L., Hu, L., Duan, L., Hu, W. R. Experimental Investigation on bubble coalescence under non-uniform temperature distribution in reduced gravity. Journal of Colloid and Interface Science. 310, 546-549 (2007).
- Duan, L., et al. The real-time March-Zehnder interferometer used in space experiment. Microgravity Science and Technology. 20, 91-98 (2008).
- Zhu, P., Zhou, B., Duan, L., Kang, Q. Characteristics of surface oscillation in thermocapillary convection. Experimental Thermal and Fluid Science. 35, 1444-1450 (2011).
- Zhu, P., Duan, L., Kang, Q. Transition to chaos in thermocapillary convection. International Journal of Heat and Mass Transfer. 57, 457-464 (2013).
- Kang, Q., Duan, L., Zhang, L., Yin, Y. L., Yang, J. S., Hu, W. R. Thermocapillary convection experiment facility of an open cylindrical annuli for SJ-10 satellite. Microgravity Science and Technology. 28, 123-132 (2016).
- Wang, J., Wu, D., Duan, L., Kang, Q. Ground Experiment on the Instability of Buoyant-thermocapillary Convection in Large Scale Liquid Bridge with Large Prandtl Number. International Journal of Heat and Mass Transfer. 108, 2107-2119 (2017).
- Kang, Q., Jiang, H., Duan, L., Zhang, C., Hu, W. R. The Critical Condition and Oscillation - Transition Characteristics of Thermocapillary Convection in the Space Experiment on SJ-10 Satellite. International Journal of Heat and Mass Transfer. 135, 479-490 (2019).
- Kang, Q., et al. The volume ratio effect on flow patterns and transition processes of thermocapillary convection. Journal of Fluid Mechanics. 868 (108), 560-583 (2019).
