Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

تجربة فضائية الحمل الحراري الحراري الحراري على الساتل SJ-10 القابل للاسترداد

Published: March 11, 2020 doi: 10.3791/59998
Automatic Translation
*1,2, *3, *1, 1,2, 1, 1, 1, 1
1National Microgravity Laboratory, Institute of Mechanics, Chinese Academy of Sciences, 2School of Engineering Sciences, University of Chinese Academy of Sciences, 3China Astronaut Research and Training Center
* These authors contributed equally

Summary

وترد في هذه الورقة بروتوكول لتصميم الحمولة الفضائية، والتجربة الفضائية المتعلقة بالحمل الحراري الحراري، وتحليلات للبيانات والصور التجريبية.

Abstract

الحمل الحراري الحراري هو موضوع بحثي مهم في فيزياء سوائل الجاذبية الصغرى. والدراسة التجريبية المتعلقة بالموجات السطحية من الحمل الحراري الحراري الحراري في بركة سائلة حلقية هي واحدة من المشاريع التجريبية العلمية الـ 19 على الساتل SJ-10 القابل للاسترداد. يقدم تصميم لحمولة لدراسة تجريبية فضائية حول الحمل الحراري الحراري الذي يتضمن النموذج التجريبي ونظام القياس ونظام التحكم. وترد تفاصيل بناء نموذج تجريبي لبركة سائلة حلقية ذات نسب حجم متغيرة. يتم تسجيل درجات حرارة السوائل من قبل ستة أزواج حرارية مع حساسية عالية من 0.05 درجة مئوية في نقاط مختلفة. يتم التقاط توزيعات درجة الحرارة على السطح الحر السائل عن طريق كاميرا حرارية تعمل بالأشعة تحت الحمراء. يتم الكشف عن تشوه السطح الحر بواسطة مستشعر إزاحة بدقة عالية تبلغ 1 ميكرومتر. العملية التجريبية مؤتمتة بالكامل. ويركز البحث على ظواهر التذبذب الحراري على السطح الخالي من السوائل وتحولات النمط الحراري من خلال تحليلات البيانات والصور التجريبية. هذا البحث سوف تكون مفيدة لفهم آلية الحراري الحراري الحراري الحمل الحراري وسوف تقدم المزيد من الأفكار في الخصائص غير الخطية، وعدم استقرار التدفق، والتحولات تشعب الحراري الحراري.

Introduction

وفي ظل ظروف الجاذبية الصغرى في الفضاء، تُعرض ظواهر فيزيائية مثيرة للاهتمام كثيرة بسبب غياب الجاذبية. في السائل ذو السطح الحر، يوجد نظام تدفق جديد (أي تدفق الركيزة الحرارية) الذي ينتج عن تدرج درجة الحرارة أو تدرج التركيز. والحمل الحراري الحراري، الذي يختلف عن الحمل الحراري التقليدي على الأرض، ظاهرة منتشرة في كل مكان في البيئات الفضائية. وبما أنه موضوع بحثي بالغ الأهمية في فيزياء سوائل الجاذبية الصغرى، فقد أُجري عدد من التجارب في الفضاء وكذلك على أرض الواقع. وفي الآونة الأخيرة، أُجريت دراسات تجريبية فضائية بشأن الحمل الحراري الحراري على ساتل التجارب العلمية SJ-10 القابل للاسترداد. وتألفت حمولة التجربة الفضائية من ثمانية نظم، هي نظام لتجربة السوائل، ونظام لتخزين السوائل وحقنها، ونظام للتحكم في درجة الحرارة، ونظام لقياس الفواصل الحرارية، وكاميرا حرارية تعمل بالأشعة تحت الحمراء، وأجهزة استشعار للإزاحة، ونظام احتياز صور CCD، ونظام التحكم الكهربائي، كما هو مبين في الشكل 1 (يسار). وتظهر حمولة التجربة الفضائية للبحوث المتعلقة بالموجات السطحية من الحمل الحراري الحراري في الشكل 1 (إلى اليمين). ركزت هذه الدراسة على عدم استقرار التدفق، وظواهر التذبذب، والتحولات، والتي هي خصائص هامة في عملية الانتقال من تدفق اللاصفإلى الفوضى. الدراسات حول هذه المواضيع الأساسية لها أهمية كبيرة للبحوث المتعلقة التدفق القوي غير الخطي.

على عكس الحمل الحراري للطفو الذي تحركه قوة الحجم ، فإن الحمل الحراري الحراري هو ظاهرة ناجمة عن التوتر السطحي داخل الواجهة بين سائلين غير قابلين للامتزاج. يتغير حجم التوتر السطحي مع بعض المعلمات العددية ، بما في ذلك درجة الحرارة ، وتركيز المذاب ، وقوة المجال الكهربائي. عندما يتم توزيع هذه الحقول العددية بشكل غير متساو ٍ في الواجهة، سيكون هناك تدرج توتر سطحي موجود على السطح الحر. ويحرك السائل على السطح الحر من قبل تدرج التوتر السطحي للانتقال من الموقع مع أقل التوتر السطحي إلى أن مع زيادة التوتر السطحي. وقد فسر هذا التدفق لأول مرة من قبل الفيزيائي الإيطالي، كارلو مارانغوني. ومن ثم، كان اسمه "تأثير Marangoni"1. تدفق Marangoni على السطح الحر يمتد إلى السائل الداخلي باللزوجة ونتيجة لذلك يولد ما يعرف باسم الحمل الحراري Marangoni.

بالمعنى الدقيق للكلمة ، لنظام السوائل مع سطح حر ، الحمل الحراري الحراري والحمل الحراري الطفو تظهر دائما في وقت واحد تحت الجاذبية العادية. بشكل عام ، لنظام الحمل الحراري العياني ، الحمل الحراري الحراري هو تأثير طفيف وعادة ما يتم تجاهله بالمقارنة مع الحمل الحراري للطفو. ومع ذلك، في ظل حالة نظام حمل حراري صغير النطاق أو في بيئة الجاذبية الصغرى، سيضعف الحمل الحراري للطفو إلى حد كبير، أو حتى يختفي، وسيصبح الحمل الحراري الحراري مهيمنا في نظام التدفق. لفترة طويلة من الزمن ، وقد ركزت البحوث على نطاق واسع الطفو الحمل الحراري بسبب القيود المفروضة على الأنشطة البشرية وأساليب البحث2،3،4. ومع ذلك ، في العقود الأخيرة ، مع التطور السريع للعلوم والتكنولوجيا الحديثة مثل الفضاء الجوي ، والأفلام ، وMEMS ، والعلوم غير الخطية ، أصبحت الحاجة إلى إجراء مزيد من البحوث حول الحمل الحراري الحراري ملحة بشكل متزايد.

وللدراسات المتعلقة بالديناميات الهيدرودينامية للجاذبية الصغرى أهمية أكاديمية هامة وآفاق تطبيقية. وقد اجتمع العديد من علماء الديناميات والكيميائيين الفيزيائيين وعلماء الأحياء والمواد للعمل في هذا المجال. أكمل كاموتاني وأوستراش التجارب على الحمل الحراري الحراري في بركة سائلة حلقية في ظروف الجاذبية الصغرى2،5،6،7،8 ولاحظ تدفق ثابت ، تدفق متذبذب ، والظروف الحرجة. درس شوابي وآخرون الحمل الحراري الحراري الطفو في بركة سائلة حلقية مماثلة3،9 ووجدوا أن التدفق المذبذب ظهر أولاً كموجات حرارية ، ثم تحول إلى تدفق أكثر تعقيدًا مع زيادة فرق درجة الحرارة. في عام 2002، أبلغت شوابي وبنز وآخرون عن مجموعة من التجارب على الحمل الحراري الحراري في بركة سائلة حلقية أجريت على القمر الصناعي الروسي FOTON-124،10. وكانت نتائجها التجريبية الفضائية متسقة مع النتائج التجريبية الأرضية. أجرى بعض العلماء اليابانيين ثلاث سلسلة من التجارب على الحمل الحراري للجسر السائل الحراري، المسمى تجربة مارانغوني في الفضاء (MEIS)، على محطة الفضاء الدولية11،12،13. وقد طُبقت في هذه المهام الثلاث بعض المعدات التجريبية، بما في ذلك الكاميرا، والصور الحرارية، وأجهزة الاستشعار الحرارية، وتكنولوجيا ثلاثية الأبعاد - PTV والضوئية. تم تحديد الظروف الحرجة للحمل الحراري الحراري في نسب العرض إلى الارتفاع المختلفة ، ولوحظت هياكل تدفق ثلاثية الأبعاد (3D).

على مدى السنوات ال 30 الماضية ، شهدت علوم الجاذبية الصغرى تطورا غزير الإنتاج في الصين14،15،16، وقد أجريت عددا من تجارب الجاذبية الصغرى في الفضاء17،18. وفي مجال فيزياء السوائل، كانت أول تجربة للجاذبية الصغرية هي دراسة سائل من طبقتين على الساتل SJ-5 القابل للاسترداد في عام 1999، وتم الحصول على هيكل التدفق بطريقة تتبع الجسيمات14. في عام 2004 ، أجريت الدراسة حول هجرة الركيزة الحرارية للقطرة على SZ-4 ، وتم الحصول على العلاقة بين سرعة الهجرة وعدد ماخ الحرج (Ma)15،16. في عام 2005، أجريت الدراسة التجريبية حول الهجرة الحرارية متعددة الفقاعة على JB-417، وتم الحصول على قواعد الهجرة حيث تم زيادة عدد Ma إلى 8000. وفي الوقت نفسه، تمت أيضا دراسة مشاكل مثل دمج الفقاعات. وفي عام 2006، أجريت الدراسة المتعلقة بنقل كتلة الانتشار على الساتل SJ-8 القابل للاسترداد، وطبق مقياس التداخل ماخ - زهندر لأول مرة في التجربة الفضائية، ولوحظت عملية نقل الكتلة للانتشار، وجرى تقييم معامل الانتشار18.

في السنوات الأخيرة، تم إجراء سلسلة من الدراسات التجريبية الأرضية التي تركز على عمليات التذبذب والتشعب في الحمل الحراري الحراري، وتم تحليل التأثير المقترن للطفو وقوة الحرارة. تظهر النتائج التجريبية أنه لا يمكن تجاهل تأثير الطفو في التجارب الأرضية ، لأنه يلعب دورًا مهيمنًا في كثير من الحالات19،20، 21،,2122. في عام 2016 ، أجريت تجربتان للجاذبية الصغرية للبحث عن الحمل الحراري الحراري في الجسر السائل على TG-2 ، والحمل الحراري الحراري في التجمع السائل الحلقي على القمر الصناعي SJ-10 القابل للاسترداد23،24. وتقدم هذه الورقة الحمولة التجريبية للحمل الحراري الحراري الحراري على SJ10، ونتائج التجربة الفضائية. هذه الأساليب سوف تكون مفيدة في استكشاف آلية التذبذب الحراري.

من أجل مراقبة انتقال النمط الحراري ، وتذبذب درجة الحرارة ، وتشوه السطح الخالي من السائل ، وستة أزواج حرارية ، وكاميرا حرارية تحت الحمراء ، ومستشعر إزاحة لتحديد التردد والسعة والكميات المادية الأخرى من التذبذب استعملت. من خلال التحقيقات المتعلقة بالتذبذب والانتقال في الحمل الحراري الحراري في الفضاء ، يمكن أن تكون آلية الحمل الحراري الحراري في بيئة الجاذبية الصغرى ، والتي توفر التوجيه العلمي لنمو المواد في الفضاء ، اكتشفت وفهم. وعلاوة على ذلك، فإن الاختراقات التكنولوجية في مثل هذه التجارب الفضائية، مثل تقنيات صيانة سطح السائل وحقن السوائل بدون فقاعات، ستزيد من تعزيز بساطة تجارب الجاذبية الصغرى ومستواها التقني في السوائل الفيزياء.

تقدم هذه الورقة تطوير الحمولة والتجربة الفضائية لمشروع الموجة السطحية الحرارية التي أجريت على الساتل العلمي التجريبي SJ-10. وباعتباره حمولة للتجربة الفضائية، فإن هذا النظام الحراري الحراري الحراري يتمتع بقدرة قوية مضادة للاهتزاز على منع الصدمات العنيفة، ولا سيما أثناء عملية إطلاق السواتل. من أجل تلبية متطلبات التشغيل عن بعد ، يتم التحكم في عملية التجربة الفضائية تلقائيًا ، ويمكن إرسال البيانات التجريبية الفضائية إلى محطة استقبال الإشارات الأرضية للمركبة الفضائية ثم إلى تجربة العلماء منصه.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. تصميم وإعداد النظام التجريبي

  1. بناء تجمع السائل الحلقي.
    1. بناء تجمع سائل حلقي نحاسي قياس Ri = 4 مم في القطر الداخلي وRo = 20 مم في القطر الخارجي و d = 12 مم في الارتفاع.
    2. استخدام لوحة بوليسولفون قياس RP = 20 ملم في القطر كما الجزء السفلي من تجمع السائل (انظر جدول المواد).
    3. حفر حفرة صغيرة قياس = 2 ملم في القطر على مقربة من الجدار الداخلي (6 ملم بعيدا عن وسط الدائرة) كما ثقب حقن السائل.
  2. الحفاظ على الواجهة.
    1. إضافة زوايا حادة (زوايا 45 درجة) على الجدران الجانبية الداخلية والخارجية(الشكل 2).
    2. تطبيق السائل المضادة للزحف21 (انظر جدول المواد)على الجدران الداخلية والخارجية إلى ارتفاع أكبر من 12 ملم.
  3. إعداد نظام التخزين من السائل العامل.
    1. اختيار 2cSt زيت السيليكون والسائل العامل (انظر جدول المواد).
    2. استخدام اسطوانة هيدروليكية كحاوية لتخزين زيت السيليكون (انظر جدول المواد).
    3. حقن السائل العامل إلى الاسطوانة الهيدروليكية باستخدام تقنية خالية من الفقاعة قبل الإطلاق.
      ملاحظة: الفقاعات المعلقة في السائل العامل سيؤدي إلى فشل التجربة.
      1. تفريغ الغاز في زيت السيليكون عن طريق تسخين السائل إلى 60 درجة مئوية وتطبيق الضغط < 150 باسكال لحوالي 6 ساعة.
      2. فراغ نظام التخزين السائل حتى ضغطه هو < 200 باسكال.
      3. تخفيف صمام للسماح لزيت السيليكون لملء في اسطوانة فراغ دون غاز(الشكل 3).
  4. إعداد نظام الحقن للسائل العامل.
    1. حدد محرك خطوة لدفع حقن أو شفط السائل (انظر جدول المواد).
    2. تطبيق صمام سولينويد للتحكم في مفتاح التشغيل على إيقاف من نظام الحقن (انظر جدول المواد).
    3. توصيل محرك الخطوة إلى الاسطوانة السائلة باستخدام مفصل عالمي(الشكل 4).
    4. قم بتوصيل الأسطوانة السائلة وصمام السولينويد وثقب الحقن على التوالي بأنبوب يبلغ قطره 4 مم.

2. إنشاء نظام التحكم في درجة الحرارة

  1. تضمين الاسطوانة الداخلية مع فيلم التدفئة (المقاومة Rt = 14.4 ± 0.5 درجة) وقياس درجة الحرارة Ti مع الحرارية من نوع K (انظر جدول المواد).
  2. إرفاق بشكل متناظر ستة رقائق التبريد (يتم توصيل كل رقاقتين بالتوازي كمجموعة، ويتم توصيل ثلاث مجموعات في سلسلة) إلى الجدار الخارجي والحصول على درجة حرارة الجدار الخارجي To باستخدام الحرارية إضافية من نوع K.
    ملاحظة: الفرق في درجة الحرارة هوT = Ti - To.

3- إنشاء نظام القياس

ملاحظة: يمكن التحكم في كافة الأجهزة بواسطة البرامج.

  1. ضع ستة أزواج حرارية(T1 - T6)داخل المسبح السائل لقياس درجات الحرارة في نقاط مختلفة. يظهر التخطيط التفصيلي في الشكل 5.
  2. ضع كاميرا الأشعة تحت الحمراء مباشرة فوق سطح السائل ، وقم بتدوير العدسة لضبط التركيز وجمع معلومات مجال درجة الحرارة على السطح الخالي من السائل (انظر جدول المواد).
  3. ضبط مستشعر الإزاحة لقياس إزاحة نقطة معينة(ص = 12 مم) على السطح السائل (انظر جدول المواد).
    ملاحظة: يُستخدم مستشعر إزاحة الليزر لهذه الحمولة من أجل تحقيق أخذ عينات عالية السرعة بسرعة 100 ميكرون، وهي طريقة قياس عالية الدقة بدقة 1 ميكرومتر، وخطية ± 0.1٪ F.S.
  4. استخدام الكاميرا CCD للتركيز على سطح السائل وتسجيل تغيير السطح الحر (انظر جدول المواد، الشكل 6).
    ملاحظة: عدد وحدات البكسل الفعالة هو 752 × 582، والحد الأدنى للإضاءة هو 1.6 لوكس/F2.0.

4- العملية التجريبية

  1. بدء تشغيل برنامج التحكم في التجربة وبدوره على زر الطاقة.
  2. قم بإجراء الحقن السائل.
    1. تطبيق 12 V على صمام سولينويد لفتحه.
    2. بدوره على زر المحرك لدفع المحرك خطوة من 2.059 ملم وحقن 10305 مل من زيت السيليكون في بركة السائل.
    3. قم بإيقاف تشغيل طاقة الصمام السولينويد لإغلاق الصمام الوحيد.
  3. إجراء التدفئة الخطية.
    1. تعيين الشروط التجريبية على النحو التالي: درجة الحرارة المستهدفة التدفئة Ti = 50 درجة مئوية؛ تبريد درجة الحرارة المستهدفة To = 15 درجة مئوية؛ ومعدل التدفئة = 0.5 درجة مئوية / دقيقة.
  4. جمع البيانات.
    1. تعيين ترددات أخذ العينات المقابلة لصور الأشعة تحت الحمراء، والأزواج الحرارية، ومستشعر الإزاحة، وCCD إلى 7.5 هرتز، و20 هرتز، و20 هرتز، و25 هرتز على التوالي.
    2. انقر على زر لنظام جمع البيانات ورصد درجة الحرارة والإزاحة وغيرها من المعلومات باستخدام برامج الكمبيوتر(الشكل 7).
  5. إيقاف تشغيل زر الطاقة.
    ملاحظة: انتظر 1 ساعة بحيث تكون درجات حرارة النهايات الساخنة والباردة مساوية لدرجة الحرارة المحيطة للتجربة التالية.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

تم تحديد نسبة الحجم الدقيقة، وتم إعادة بناء تضاريس السطح السائل بناءً على الصور التي تم التقاطها بواسطة اتفاقية مكافحة التصحر. تم تحديد حالة عدم الاستقرار الحرجة، وتمت دراسة خصائص التذبذب من خلال تحليلات على إشارات درجة الحرارة نقطة واحدة وإشارات الإزاحة المتذبذبة. تم الحصول على بنية حقل التدفق، وتم تحديد انتقال نمط التدفق من خلال تغيير صورة الأشعة تحت الحمراء مع مرور الوقت. ويمكن أيضا دراسة خصائص التدفق، وآلية التدفق، وانتقال التشعب عن طريق التحليل الشامل على نتائج تجريبية متعددة.

وقد تم الحصول على صور الأشعة تحت الحمراء الحرارية لتصور توزيعات درجة الحرارة على سطح خالية من السائل في الحمل الحراري الحراري. وقد لوحظت مجموعة متنوعة من أنماط التدفق المتذبذب ، والتي تشمل التذبذب الشعاعي أو الدورانات المحيطية في اتجاه عقارب الساعة / عكس عقارب الساعة(الشكل 8). تدفق الحرارة يفقد أولا استقراره والتحولات إلى التذبذب شعاعي، ومن ثم إلى موجات الدورية circumferentially. وقد وجد أن الحراري الحراري الحراري ثابت يتطور إلى موجة دائمة، ثم موجة السفر، وأخيرا إلى حالة اقتران من موجة السفر والموجة الدائمة.

تم قياس درجات الحرارة في مواقع مختلفة في نظام تدفق الحرارة مع الأزواج الحرارية في نسب حجم معينة(Vr = 0.715). ويبين الشكل 9 (إلى اليسار) أن درجات الحرارة داخل السائل زادت خطيامع زيادة الفرق في درجة الحرارة. تقلب حقل درجة الحرارة بشكل دوري بمجرد أن يتجاوز فرق درجة الحرارة عتبة معينة ، مما يشير إلى أن الحمل الحراري الحراري تطور من حالة ثابتة إلى حالة مذبذبة. وبالإضافة إلى ذلك، نمت سعة درجة الحرارة المتذبذبة مع تطور حقل التدفق. ويشير تحليل الطيف في الشكل 9 (إلى اليمين) إلى أن تردد التذبذب الحرج كان 0.064 هرتز.

تمت دراسة تشوه السطح الخالي من السائل لأول مرة من خلال القياسات المباشرة. من خلال مقارنة عدد كبير من بيانات التشوه للسطح الحر الذي يقاس بمستشعر الإزاحة ، وبيانات درجة حرارة السائل الذي يقاس بواسطة الأزواج الحراريين ، لوحظ أن تشوه السطح وحقل درجة الحرارة في السائل بدأ في التذبذب في نفس الوقت وبنفس التردد(الشكل 10).

Figure 1
الشكل 1: الحمولة التجريبية الفضائية. (يسار) تخطيطي للحمولة. (يمين) صورة حمولة تجربة الفضاء. يمكن ملاحظة الحمل الحراري الحراري عن طريق كاميرا الأشعة تحت الحمراء ، اتفاقية مكافحة التصحر ، واستشعار الإزاحة. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 2
الشكل 2: التخطيطي وصورة لتجمع السائل الحلقي. عندما كان هناك فرق في درجة الحرارة بين الطرفين ، تم إنشاء الحمل الحراري الحراري داخل بركة السائل الحلقي. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 3
الشكل 3: جهاز ملء الفراغ وعملية التعبئة. وقد ضمن هذا الإجراء الذي تم تنفيذه قبل الإطلاق عدم توليد فقاعات في السائل أثناء التجارب الفضائية. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 4
الشكل 4: التخطيطي للعلاقة بين محرك السائر والاسطوانة. يمكن أن يتحقق تصريف زيت السيليكون من أو شفط إلى الاسطوانة من خلال التحكم في مفتاح الدفع / السحب لمحرك السائر. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 5
الشكل 5: مواقع تركيب الأزواج الحرارية. إشارات درجة الحرارة على ارتفاعات مختلفة وزوايا السمتوال يمكن تحليل خصائص موجة السفر. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 6
الشكل 6: صورة اتفاقية مكافحة التصحر للبركة السائلة الحلقية (الحالة 13، Vr = 0.715). ما إذا كان مستوى السائل يصعد أم لا يمكن التعرف عليها من خلال الصورة. يمكن أيضًا الحصول على نسبة الصوت عن طريق معالجة الحافة للصورة. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 7
الشكل 7: منحنى التحكم في درجة الحرارة في الوقت الحقيقي (الحالة 13، Vr = 0.715). هذا هو وضع التدفئة الخطية بمعدل 0.5 درجة مئوية / دقيقة. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 8
الشكل 8: حقل درجة الحرارة على السطح الحر في فترة واحدة (الحالة 13، Vr = 0.715). (أ)صور الأشعة تحت الحمراء الحرارية للموجة المائية الحرارية. (ب)الرسوم البيانية 3D المقابلة من (أ). (C)الصور الفرعية المقابلة الدورية للصور الأصلية في(A). تظهر المنطقة الباردة والمنطقة الساخنة بالتناوب في أزواج. الأحمر = درجة حرارة عالية. الأزرق = انخفاض درجة الحرارة. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 9
الشكل 9: قياسات درجة الحرارة (الحالة 13، Vr = 0.715). (يسار) تذبذب درجة الحرارة مع زيادة الفرق في درجة الحرارة. (يمين) طيف التردد الحرج المقابل للإشارات في(A). PSD = الكثافة الطيفية للقوة. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 10
الشكل 10: قياسات التذبذب للسطح الخالي من السائل (الحالة 13، Vr = 0.715). (يسار) النزوح مع زيادة الفرق في درجة الحرارة. (يمين) طيف التردد المقابل للإشارات في اللوحة اليسرى. عندما يتجاوز الفرق في درجة الحرارة عتبة معينة، سوف يتقلب الإزاحة بشكل دوري، وتزداد السعة مع زيادة فرق درجة الحرارة. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

ونظرا لمحدودية الموارد الفضائية، فإن حجم المعدات ككل لا يتجاوز 400 ملم × 352 ملم × 322 ملم، مع وزن 22.9 ± 0.2 كيلوغرام فقط. هذا غير مريح للغاية عند اختيار ووضع الأجهزة التجريبية ، وإنشاء نظام التدفق يصبح الخطوة الحاسمة. لذلك ، يتم تعيين الفرق في درجة الحرارة المتزايدة في طرفي التجمع السائل بحيث يمكن للسائل توليد سلسلة من ظواهر التدفق. من أجل مراقبة العملية بأكملها من الحمل الحراري من ثابت إلى تذبذب في تجربة واحدة ، يتم اختيار زيت السيليكون 2cSt كسائل عامل بسبب شفافيته والمعلمات المادية المناسبة. بالإضافة إلى ذلك ، بسبب التوتر السطحي ، يتم منحني السطح السائل. يجب أن تكون نقطة المراقبة لمستشعر الإزاحة في مركز الأقطار الداخلية والخارجية.

عند إهمال الأخطاء الناجمة عن الخصائص الفيزيائية ، يمكن الحصول على عدم اليقين من المعلمات التجريبية. تم تحديد عدم اليقين القياسي الاصطناعي للعتبة الحرجة للحمل الحراري الحراري ليكون 1.11٪. ونسبة عدم التيقن من نسبة الحجم الناجمة عن عوامل تشمل التبخر السائل وقراءة الحجم تقع في حدود 4.00 في المائة، ومن بينها الشكوك العشوائية القياسية الناجمة عن قياسات درجة الحرارة والأبعاد الهندسية للمجمع السائل هي 0.05 درجة مئوية و0.01 ملم على التوالي. المسافة التي تحققت من قبل محرك خطوة للحقن السائل / شفط، ووحدة الحركة الدنيا للمحرك هو 1 العد = 3.5 ×10-6 ملم. جنبا إلى جنب مع الشكوك التي أدخلتها حقن السائل / شفط والأبعاد الهندسية للبركة السائلة، وعدم اليقين الاصطناعية النهائية من نسبة حجم هو 4.07٪.

ولم يتم الحصول إلا على 23 مجموعة من البيانات التجريبية الفضائية القيمة بسبب ضيق وقت تحليق الساتل، ولم تجر بعد تجارب بفارق كبير في درجة الحرارة (فوق 40 درجة مئوية). وبالإضافة إلى ذلك، وبسبب محدودية الموارد الفضائية، يفتقر النموذج إلى وظيفة التناوب مقارنة بطريقة النمو الحقيقي للبلورات الصناعية.

وفيما يتعلق بتطوير المعدات، تم حل مشكلتين رئيسيتين هما صيانة السطح الخالي من السوائل والحقن السائل بدون فقاعات، وكلاهما يؤدي اندورا رئيسيين في التنفيذ الناجح للتجارب الفضائية. كما تم تطبيق هاتين التقنيتين الرئيسيتين بنجاح على التجارب الفضائية اللاحقة، كما هو الحال في بعثة تيانغونغ-2 الفضائية، وستطبقان أيضا على تجارب فضائية إضافية في المستقبل.

يمكن للجهاز التجريبي وطريقة المراقبة على أساس الحمل الحراري SJ10 توفير أساس علمي ودعم تقني لدراسة ميكانيكا السوائل ، وفيزياء الجاذبية الصغرى ، والنمو الحقيقي للبلورات الصناعية ، وربما العديد من غيرها العديد من التطبيقات.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

ليس لدينا ما نكشفه

Acknowledgments

هناك العديد من المشاركين الذين ساهموا في العمل المذكور في هذه الورقة، بما في ذلك جميع أعضاء فريق المشروع لدينا، فضلا عن بعض الناس من مركز أبحاث وتدريب رواد الفضاء (ACC) وNeusoft.

ويمول هذا العمل برنامج البحوث ذات الأولوية الاستراتيجية بشأن علوم الفضاء، الأكاديمية الصينية للعلوم: ساتل التجارب العلمية القابل للاسترداد SJ-10 (المنحة رقم 10). XDA04020405 وXDA0402020202-05)، وعن طريق الصندوق المشترك للمؤسسة الوطنية للعلوم الطبيعية في الصين (U1738116).

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Scriven, L. E., Sternling, C. V. The Marangoni effect. Nature. 187, 186-188 (1960).
  2. 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).
  3. Benz, S., Schwabe, D. The three-dimensional stationary instability in dynamic thermocapillary shallow cavities. Experiments in Fluids. 31, 409-416 (2001).
  4. Schwabe, D. Buoyant-thermocapillary and pure thermocapillary convective instabilities in Czochralski systems. Journal of Crystal Growth. 237-239, 1849-1853 (2002).
  5. 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).
  6. Kamotani, Y., Ostrach, S., Pline, A. A thermocapillary convection experiment in microgravity. Journal of Heat Transfer. 117, 611-618 (1995).
  7. 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).
  8. 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).
  9. 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).
  10. 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).
  11. Kawamura, H., et al. Report on Microgravity Experiments of Marangoni Convection Aboard International Space Station. Journal of Heat Transfer. 134 (3), 031005 (2012).
  12. 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).
  13. 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).
  14. 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).
  15. 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).
  16. 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).
  17. 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).
  18. Duan, L., et al. The real-time March-Zehnder interferometer used in space experiment. Microgravity Science and Technology. 20, 91-98 (2008).
  19. Zhu, P., Zhou, B., Duan, L., Kang, Q. Characteristics of surface oscillation in thermocapillary convection. Experimental Thermal and Fluid Science. 35, 1444-1450 (2011).
  20. Zhu, P., Duan, L., Kang, Q. Transition to chaos in thermocapillary convection. International Journal of Heat and Mass Transfer. 57, 457-464 (2013).
  21. 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).
  22. 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).
  23. 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).
  24. 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).

Tags

الهندسة، العدد 157، تجارب الجاذبية الصغرى، تصميم الحمولة، تجمع السائل الحلقي، الحمل الحراري الحراري، التذبذب، الموجة، التحولات
تجربة فضائية الحمل الحراري الحراري الحراري على الساتل SJ-10 القابل للاسترداد
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Duan, L., Yin, Y., Wang, J., Kang,… More

Duan, L., Yin, Y., Wang, J., Kang, Q., Wu, D., Jiang, H., Zhang, P., Hu, L. Thermocapillary Convection Space Experiment on the SJ-10 Recoverable Satellite. J. Vis. Exp. (157), e59998, doi:10.3791/59998 (2020).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter