Summary
Een protocol voor de ruimte payload ontwerp, de ruimte experiment op thermocapillary convectie, en analyses van experimentele gegevens en beelden worden gepresenteerd in dit papier.
Abstract
Thermocapillary convectie is een belangrijk onderzoeksonderwerp in microzwaartekracht vloeistoffysica. De experimentele studie over oppervlaktegolven van thermocapillary convectie in een ringvormige vloeibare pool is een van de 19 wetenschappelijke experimentele projecten op de SJ-10 herstelbare satelliet. Gepresenteerd is een ontwerp voor een payload voor ruimte experimentele studie over thermocapillary convectie die het experimentele model, meetsysteem, en controlesysteem omvat. De specifieke kenmerken voor de bouw van een experimenteel model van een ringvormige vloeistofpool met variabele volumeverhoudingen worden verstrekt. De vloeistoftemperaturen worden geregistreerd door zes thermokoppels met een hoge gevoeligheid van 0,05 °C op verschillende punten. De temperatuurverdelingen op het vloeistofvrije oppervlak worden vastgelegd door middel van een infrarood thermische camera. De vervorming van het vrije oppervlak wordt gedetecteerd door een verplaatsingssensor met een hoge nauwkeurigheid van 1 μm. Het experimentele proces is volledig geautomatiseerd. Het onderzoek richt zich op thermocapillaraire oscillatieverschijnselen op het vloeistofvrije oppervlak en convectieve patroonovergangen door middel van analyses van experimentele gegevens en beelden. Dit onderzoek zal nuttig zijn om het mechanisme van thermocapillary convectie te begrijpen en zal verdere inzichten bieden in de niet-lineaire kenmerken, stroominstabiliteit en bifurcatieovergangen van thermocapillary convectie.
Introduction
Onder microzwaartekracht omstandigheden in de ruimte, veel interessante fysieke verschijnselen worden gepresenteerd als gevolg van de afwezigheid van zwaartekracht. In een vloeistof met een vrij oppervlak bestaat een nieuw stroomsysteem (d.w.z. thermocapillaraire stroom) dat wordt veroorzaakt door de temperatuurgradiënt of concentratiegradiënt. Anders dan traditionele convectie op de grond, thermocapillary convectie is een alomtegenwoordig fenomeen in de ruimte omgevingen. Omdat het een zeer belangrijk onderzoeksonderwerp is in microzwaartekrachtvloeistoffysica, zijn er zowel in de ruimte als op de grond een aantal experimenten uitgevoerd. Onlangs werden ruimte experimentele studies uitgevoerd op thermocapillary convectie op de SJ-10 herstelbare wetenschappelijke experiment satelliet. Het laadvermogen van het ruimte-experiment bestond uit acht systemen, namelijk een vloeistofexperimentsysteem, vloeistofopslag- en injectiesysteem, temperatuurbeheersingssysteem, thermokoppelmeetsysteem, infraroodthermische camera, verplaatsingssensoren, CCD-beeldacquisitiesysteem en elektrisch controlesysteem, zoals blijkt uit figuur 1 (links). De ruimte-experiment payload voor onderzoek naar oppervlaktegolven van thermocapillary convectie wordt weergegeven in figuur 1 (rechts). Deze studie richtte zich op de instabiliteit van de stroming, oscillatieverschijnselen en overgangen, die belangrijke kenmerken zijn in het overgangsproces van laminaire stroom naar chaos. Studies over deze fundamentele onderwerpen hebben grote betekenis voor onderzoek met betrekking tot een sterke niet-lineaire stroom.
In tegenstelling tot drijfvermogen convectie aangedreven door volumekracht, thermocapillary convectie is een fenomeen veroorzaakt door oppervlaktespanning binnen de interface tussen twee immiscible vloeistoffen. De omvang van de oppervlaktespanning verandert met enkele scalaire parameters, waaronder temperatuur, solute concentratie, en elektrische veldsterkte. Wanneer deze scalaire velden ongelijk verdelen in de interface, zal er een oppervlaktespanningsgradiënt aanwezig zijn op het vrije oppervlak. De vloeistof op het vrije oppervlak wordt aangedreven door de helling van de oppervlaktespanning om van de locatie met een lagere oppervlaktespanning naar die met een grotere oppervlaktespanning te gaan. Deze stroom werd voor het eerst geïnterpreteerd door een Italiaanse natuurkundige, Carlo Marangoni. Vandaar, werd het genoemd het "effect Marangoni"1. Marangoni stroom op het vrije oppervlak strekt zich uit tot de binnenste vloeistof door viscositeit en als gevolg daarvan genereert wat bekend staat als Marangoni convectie.
Strikt genomen verschijnen voor het vloeistofsysteem met een vrij oppervlak, thermocapillary convectie en drijfvermogenconvectie altijd gelijktijdig onder normale zwaartekracht. In het algemeen, voor een macroscopisch convecective systeem, thermocapillary convectie is een klein effect en wordt meestal genegeerd in vergelijking met drijfvermogen convectie. Echter, onder de voorwaarde van een kleinschalig convectiefsysteem of in de microzwaartekracht omgeving, drijfvermogen convectie zal sterk worden verzwakt, of zelfs verdwijnen, en thermocapillary convectie zal dominant worden in het stroomsysteem. Het onderzoek is lange tijd gericht op het convectie op macroschaal drijfvermogen vanwege de beperkingen in menselijke activiteiten en onderzoeksmethoden2,3,4. Echter, in de afgelopen decennia, met de snelle ontwikkeling van de moderne wetenschap en technologie zoals lucht-en ruimtevaart, film, MEMS, en niet-lineaire wetenschap, de noodzaak van verder onderzoek naar thermocapillary convectie is steeds dringender geworden.
Studies met betrekking tot microzwaartekracht hydrodynamica hebben een belangrijke academische betekenis en toepassingsvooruitzichten. Veel dynamicisten, fysische chemici, biologen en materiaalwetenschappers hebben zich verzameld om op dit gebied te werken. Kamotani en Ostrach voltooiden experimenten op thermocapillary convectie in een ringvormige vloeibare pool onder microzwaartekrachtomstandigheden2,5,6,7,8 en waargenomen gestage stroom, oscillatory flow, en kritieke omstandigheden. Schwabe et al. bestudeerden drijfvermogen-thermocapillary convectie in een gelijkaardige ringvormige vloeibare pool3,9 en vonden dat de oscillatory stroom eerst als thermocapillary golven verscheen, en draaide toen aan een complexere stroom met de verhoging van temperatuurverschil. In 2002 rapporteerden Schwabe en Benz et al. een groep experimenten op thermocapillary convectie in een ringvormige vloeibare pool uitgevoerd op de Russische FOTON-12 satelliet4,10. Hun ruimte experimentele resultaten waren in overeenstemming met de grond experimentele resultaten. Sommige Japanse wetenschappers voerden drie reeksen experimenten op vloeibare brug thermocapillary convectie, genaamd de Marangoni Experiment in Space (MEIS), op het International Space Station11,12,13. Sommige experimentele apparatuur, waaronder de camera, thermische imager, thermocouple sensoren, en 3D-PTV en fotochromische technologie, werden toegepast in deze drie taken. De kritieke omstandigheden van thermocapillary convectie bij verschillende aspectratio's werden bepaald en driedimensionale (3D) stroomstructuren werden waargenomen.
In de afgelopen 30 jaar heeft microzwaartekracht wetenschap een vruchtbare ontwikkeling ondergaan in China14,15,16, en een aantal microzwaartekracht experimenten zijn uitgevoerd in de ruimte17,18. Op het gebied van vloeibare fysica, de eerste microzwaartekracht experiment was de studie van twee-laags vloeistof op de SJ-5 herstelbare satelliet in 1999, en de stroomstructuur werd verkregen door de deeltjes traceermethode14. In 2004 werd de studie naar thermocapillaraire migratie van een druppel uitgevoerd op de SZ-4, en de relatie tussen migratiesnelheid en kritische Mach (Ma) nummer werd verkregen15,16. In 2005 werd de experimentele studie over multi-bubble thermocapillaraire migratie uitgevoerd op de JB-417, en de migratieregels werden verkregen omdat het Ma-aantal werd verhoogd tot 8.000. Ondertussen werden ook problemen als bellen samensmelten bestudeerd. In 2006 werd de studie naar verspreidingsmassaoverdracht uitgevoerd op de SJ-8 herstelbare satelliet, werd de Mach-Zehnder interferometer voor het eerst toegepast in het ruimte-experiment, werd het proces van verspreiding massaoverdracht waargenomen en werd de diffusiecoëfficiënt geëvalueerd18.
In de afgelopen jaren is een reeks grondexperimentele studies uitgevoerd gericht op oscillatie- en bifurcatieprocessen in thermocapillary convectie en het gekoppelde effect van drijfvermogen en thermocapillaraire kracht is geanalyseerd. Uit de experimentele resultaten blijkt dat het drijfvermogeneffect niet kan worden genegeerd in grondexperimenten, aangezien het in veel gevallen een dominante rol speelt in veel gevallen19,20,21,22. In 2016 werden twee microzwaartekrachtexperimenten uitgevoerd om thermocapillary convectie in de vloeibare brug op de TG-2 en thermocapillary convectie in de ringvormige vloeistofpool op de SJ-10 herstelbare satelliet23,24te onderzoeken. Het huidige papier introduceert de experimentele lading van thermocapillary convectie op de SJ10, en de ruimte experiment resultaten. Deze methoden zullen nuttig zijn bij het verkennen van het mechanisme van thermocapillary oscillatie.
Om de convectieve patroonovergang, temperatuuroscillatie en vloeistofvrije oppervlaktevervorming te observeren, zes thermokoppels, een infraroodthermische camera en een verplaatsingssensor om de frequentie, amplitude en andere fysieke hoeveelheden te kwantificeren van de schommeling werden gebruikt. Door onderzoek naar oscillatie en overgang in thermocacapillaire convectie in de ruimte kan het mechanisme van thermocacapaire convectie in de microzwaartekrachtomgeving, die wetenschappelijke richtlijnen biedt voor de groei van materialen in de ruimte, ontdekt en begrepen. Bovendien zullen technologische doorbraken in dergelijke ruimte-experimenten, zoals de technieken van vloeibaar oppervlakteonderhoud en vloeibare injectie zonder bellen, de eenvoud en het technische niveau van microzwaartekrachtexperimenten in vloeistof verder verbeteren Natuurkunde.
Dit document introduceert de payload ontwikkeling en ruimte experiment van de thermocapillary oppervlaktegolf project uitgevoerd op de SJ-10 wetenschappelijke experimentele satelliet. Als een ruimte experiment payload, dit thermocapillary convectie systeem heeft een sterke anti-vibratie vermogen om gewelddadige schok te voorkomen, vooral tijdens de satelliet lancering proces. Om te voldoen aan de vereisten van de bediening op afstand, wordt het ruimte-experimentproces automatisch geregeld en kunnen de experimentele gegevens in de ruimte worden doorgegeven aan het grondsignaalontvangststation van het ruimtevaartuig en vervolgens naar de experimentele Platform.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Ontwerp en voorbereiding van het experimentele systeem
- Bouw de ringvormige vloeibare pool.
- Bouw een koperen ringvormige vloeistofpool van Ri = 4 mm in binnendiameter en Ro = 20 mm in buitendiameter en d = 12 mm hoog.
- Gebruik een polysulfoneplaat met een diameter van RP = 20 mm als bodem van de vloeistofpool (zie Materiaaltabel).
- Boor een klein gaatje met een diameter van φ = 2 mm in diameter dicht bij de binnenwand (6 mm verwijderd van het midden van de cirkel) als het vloeibare injectiegat.
- Bewaar de interface.
- Voeg scherpe hoeken (45° hoeken) toe aan de binnen- en buitenzijdewanden(figuur 2).
- Breng anti-kruipende vloeistof21 (zie Tabel van Materialen)aan op de binnen- en buitenwanden tot een hoogte van meer dan 12 mm.
- Bereid het opslagsysteem van werkende vloeistof voor.
- Kies 2cSt siliconenolie als werkvloeistof (zie Tafel der Materialen).
- Gebruik een hydraulische cilinder als container voor het opslaan van de siliconenolie (zie Tafel van Materialen).
- Injecteer de werkvloeistof in de hydraulische cilinder met behulp van de bubble-free techniek voor de lancering.
OPMERKING: Bellen die in de werkvloeistof zijn opgehangen, leiden tot het mislukken van het experiment.- Ontlaad het gas in de siliconenolie door de vloeistof te verwarmen tot 60 °C en druk toe te passen <150 Pa voor ongeveer 6 uur.
- Vacuüm het vloeistofopslagsysteem tot de druk <200 Pa is.
- Verlicht de klep zodat de siliconenolie de gestofzuigde cilinder zonder gas kan vullen (figuur 3).
- Stel het injectiesysteem in voor de werkvloeistof.
- Selecteer een stapmotor om de injectie of zuigkracht van vloeistof aan te drijven (zie Materiaaltabel).
- Breng een solenoïde klep aan om de aan-uitschakelaar van het injectiesysteem te regelen (zie Materiaaltabel).
- Sluit de stapmotor aan op de vloeibare cilinder met behulp van een universele verbinding (figuur 4).
- Sluit de vloeibare cilinder, solenoïde klep en injectiegat achtereenvolgens aan met een pijp van 4 mm in buitendiameter.
2. Instelling van het temperatuurcontrolesysteem
- Sluit de binnencilinder in met een verwarmingsfolie (weerstand Rt = 14,4 ± 0,5 Ω) en meet de temperatuur Ti met een K-type thermokoppel (zie Tabel met materialen).
- Bevestig symmetrisch zes koelchips (elke twee chips zijn parallel als groep verbonden en drie groepen zijn in een reeks verbonden) op de buitenwand en verkrijg de buitenwandtemperatuur To met behulp van een extra K-type thermokoppel.
LET OP: Het temperatuurverschil is ΔT = Ti - To.
3. Invoering van het meetsysteem
OPMERKING: Alle apparaten kunnen worden bediend door software.
- Plaats zes thermokoppels(T1 - T6)in het vloeibare zwembad om de temperatuur op verschillende punten te meten. De gedetailleerde lay-out wordt weergegeven in figuur 5.
- Plaats de infraroodcamera direct boven het vloeibare oppervlak en draai de lens om de focus aan te passen en verzamel de informatie over het temperatuurveld op het vloeistofvrije oppervlak (zie Materiaaltabel).
- Pas de verplaatsingssensor aan om de verplaatsing van een bepaald punt(r = 12 mm) op het vloeibare oppervlak te meten (zie Materiaaltabel).
OPMERKING: De laserverplaatsingssensor wordt voor dit laadvermogen gebruikt om een 100 μs high-speed sampling te realiseren, wat een ultrahoge precisiemeetmethode is met een resolutie van 1 μm en een lineariteit van ± 0,1% F.S. - Gebruik de CCD-camera om zich op het vloeibare oppervlak te concentreren en de verandering van het vrije oppervlak vast te leggen (zie Tabel met materialen, figuur 6).
OPMERKING: Het aantal effectieve pixels is 752 x 582 en de minimale verlichting is 1,6 Lux/F2.0.
4. Experimenteel proces
- Start de software voor experimentbesturing en schakel de aan/uit-knop in.
- Voer de vloeibare injectie uit.
- Breng 12 V aan op de solenoïde klep om deze te openen.
- Zet de motorknop aan om de motor een stap van 2.059 mm in te drukken en injecteer 10.305 mL siliconenolie in het vloeibare zwembad.
- Schakel het solenoïde ventielvermogen uit om de solenoïde klep te sluiten.
- Voer lineaire verwarming uit.
- Stel de experimentele omstandigheden als volgt vast: verwarmingsstreeftemperatuur Ti = 50 °C; koeldoeltemperatuur To = 15 °C; en verwarmingssnelheid = 0,5 °C/min.
- Gegevens verzamelen.
- Stel de overeenkomstige bemonsteringsfrequenties van de infraroodimager, thermokoppels, verplaatsingssensor en CCD in op respectievelijk 7,5 Hz, 20 Hz, 20 Hz en 25 Hz.
- Klik op de knop voor het systeem voor het verzamelen van gegevens en controleer de temperatuur, verplaatsing en andere informatie met behulp van de computersoftware(figuur 7).
- Schakel de aan/uit-knop uit.
LET OP: Wacht 1 uur, zodat de temperaturen van de warme en koude uiteinden gelijk zijn aan de omgevingstemperatuur voor het volgende experiment.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
De nauwkeurige volumeverhouding werd gedefinieerd en de topografie van het vloeibare oppervlak werd gereconstrueerd op basis van de beelden die door de CCD zijn vastgelegd. De kritieke instabiliteitsvoorwaarde werd bepaald, en de schommelingskenmerken werden bestudeerd door analyses op enig punttemperatuursignalen en verplaatsing scillerende signalen. De structuur van het stroomveld werd verkregen en de overgang van het stroompatroon werd bepaald door de verandering van het infraroodbeeld met de tijd. De stroomkenmerken, het stroommechanisme en de overgang van de splitsing kunnen ook worden bestudeerd door middel van uitgebreide analyse van meerdere experimentele resultaten.
Infrarood thermische beelden zijn verkregen om de temperatuurverdelingen op het vloeistofvrije oppervlak in thermocapillary convectie te visualiseren. Er zijn verschillende oscillatory flow patronen waargenomen, waaronder radiale oscillatie of met de klok mee/tegen de klok in circumferential rotaties (figuur 8). Thermocapillary flow verliest eerst zijn stabiliteit en overgangen naar radiale oscillatie, en vervolgens om omtrek roterende golven. Het is gebleken dat gestage thermocapillary convectie evolueert naar een staande golf, dan een reizende golf, en ten slotte naar de koppeling staat van reizende golf en staande golf.
De temperaturen op verschillende locaties in het thermocapillary flow systeem werden gemeten met thermokoppels bij bepaalde volumeverhoudingen(Vr = 0,715). Figuur 9 (links) laat zien dat de temperaturen in de vloeistof lineair zijn gestegen met een stijging van het temperatuurverschil. Het temperatuurveld fluctueerde periodiek zodra het temperatuurverschil een bepaalde drempel overschrijdt, wat aangeeft dat de thermocapillary convectie zich ontwikkelde van een stabiele toestand tot een oscillatorachtige toestand. Bovendien groeide de amplitude van de oscillatorachtige temperatuur naarmate het stroomveld evolueerde. De spectrumanalyse in figuur 9 (rechts) geeft aan dat de kritische oscillatiefrequentie 0,064 Hz was.
De vervorming van het vloeistofvrije oppervlak werd eerst bestudeerd door middel van directe metingen. Door een groot aantal vervormingsgegevens voor het vrije oppervlak, gemeten door de verplaatsingssensor, en de temperatuurgegevens van de vloeistof gemeten door de thermokoppels te vergelijken, werd opgemerkt dat de oppervlaktevervorming en het temperatuurveld in de vloeistof tegelijkertijd en op dezelfde frequentie begonnen te oscilleren (figuur 10).
Figuur 1: Ruimte experimentele payload. (Links) Schematisch van de lading. (Rechts) Beeld van de lading van het ruimteexperiment. De thermocapillaire convectie kan worden waargenomen door middel van de infraroodcamera, CCD en verplaatsingssensor. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 2: Schematisch en beeld van de ringvormige vloeistofpool. Toen er een temperatuurverschil was tussen de twee uiteinden, werd thermocapillary convectie gegenereerd in de ringvormige vloeibare pool. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 3: Vacuümvulapparaat en het vulproces. Deze procedure die vóór de lancering werd uitgevoerd, zorgde ervoor dat er tijdens de ruimte-experimenten geen bellen in de vloeistof werden gegenereerd. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 4: Schema van de verbinding tussen de steppermotor en de cilinder. De siliconen olieontlading van of zuiging naar de cilinder kan worden gerealiseerd door de push/pull schakelaar van de stepper motor te regelen. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 5: De installatielocaties van thermokoppels. Temperatuursignalen op verschillende hoogtes en azimutale hoeken kunnen de kenmerken van de reizende golf analyseren. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 6: CCD-afbeelding van de ringvormige vloeistofpool (zaak 13, Vr = 0,715). Of het vloeistofniveau klimt of niet, kan worden geïdentificeerd door de afbeelding. De volumeverhouding kan ook worden verkregen door randverwerking van de afbeelding. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 7: Real-time temperatuurcontrolecurve (zaak 13, Vr = 0,715). Dit is een lineaire verwarmingsmodus met een snelheid van 0,5 °C/min. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 8: Temperatuurveld op het vrije oppervlak in één periode (zaak 13, Vr = 0,715). (A) Infrarood thermische beelden van de hydrothermogolf. bB) Overeenkomstige 3D-grafieken van (A). (C) Overeenkomstige periodieke subgemiddelde afbeeldingen van originele afbeeldingen in (A). De koude zone en de hete zone verschijnen afwisselend in paren. Rood = hoge temperatuur; blauw = lage temperatuur. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 9: Temperatuurmetingen (zaak 13, Vr = 0,715). (Links) Temperatuuroscillatie met de toename van het temperatuurverschil. (Rechts) Overeenkomstig kritisch frequentiespectrum van signalen in (A). PSD = Kracht spectrale dichtheid. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 10: Oscillatiemetingen van het vloeistofvrije oppervlak (zaak 13, Vr = 0,715). (Links) Verplaatsing met de toename van het temperatuurverschil. (Rechts) Overeenkomstig frequentiespectrum van signalen in het linkerpaneel. Wanneer het temperatuurverschil een bepaalde drempel overschrijdt, zal de verplaatsing periodiek fluctueren en neemt de amplitude toe naarmate het temperatuurverschil toeneemt. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Door de beperking van de ruimtebronnen bedraagt het volume van de apparatuur als geheel slechts 400 mm × 352 mm × 322 mm, met een gewicht van slechts 22,9 ± 0,2 kg. Dit is erg lastig bij het selecteren en leggen van experimentele apparaten, en de oprichting van het stroomsysteem wordt de kritieke stap. Daarom wordt het toenemende temperatuurverschil ingesteld aan twee uiteinden van de vloeistofpool, zodat de vloeistof een reeks stroomverschijnselen kan genereren. Om het hele proces van de convectie van steady naar oscillatie in één experiment te observeren, wordt 2cSt siliconenolie gekozen als de werkvloeistof vanwege de transparantie en de juiste fysieke parameters. Bovendien is het vloeibare oppervlak door de oppervlaktespanning gebogen. Het observatiepunt van de verplaatsingssensor moet zich in het midden van de binnen- en buitendiameters bevindt.
Bij het verwaarlozen van fouten veroorzaakt door fysieke eigenschappen, kan de onzekerheid van de experimentele parameters worden verkregen. De synthetische standaardonzekerheid van de kritische drempel van de thermocapillary convectie werd vastgesteld op 1,11%. De onzekerheid over de volumeverhouding veroorzaakt door factoren zoals vloeibare verdamping en volumemeting bevindt zich binnen 4,00%, waaronder de standaard willekeurige onzekerheden veroorzaakt door temperatuurmetingen en geometrische afmetingen van de vloeistofpool respectievelijk 0,05 °C en 0,01 mm. De afstand gerealiseerd door de stap motor voor vloeibare injectie / zuiging, en de minimale beweging eenheid van de motor is 1 tellen = 3,5 × 10-6 mm. In combinatie met de onzekerheden geïntroduceerd door de vloeibare injectie / zuiging en geometrische afmetingen van de vloeistof pool, de uiteindelijke synthetische onzekerheid van de volumeverhouding is 4,07%.
Slechts 23 groepen waardevolle ruimte experimentele gegevens zijn verkregen als gevolg van de beperkte vliegtijd van de satelliet, en experimenten bij een groot temperatuurverschil (boven 40 °C) moeten nog worden uitgevoerd. Bovendien mist het model, als gevolg van de beperking van de ruimtebronnen, rotatiefunctie in vergelijking met de echte industriële kristalgroeimethode.
Wat de ontwikkeling van apparatuur betreft, zijn twee belangrijke problemen opgelost, namelijk het onderhoud van het vloeistofvrije oppervlak en de vloeibare injectie zonder bellen, die beide een belangrijke rol spelen bij de succesvolle uitvoering van ruimte-experimenten. Deze twee belangrijke technologieën zijn ook met succes toegepast op latere ruimte-experimenten, zoals in de Tiangong-2 ruimtemissie, en zullen ook worden toegepast op extra ruimte-experimenten in de toekomst.
Het experimentele apparaat en observatiemethode op basis van SJ10 thermocapillary convectie kan een wetenschappelijke basis en technische ondersteuning bieden voor de studie van vloeistofmechanica, microzwaartekrachtfysica, echte industriële kristalgroei, en mogelijk vele andere tal van toepassingen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
We hebben niets te onthullen.
Acknowledgments
Er zijn veel deelnemers die hebben bijgedragen aan het werk gemeld in deze krant, met inbegrip van alle leden van ons projectteam, evenals een aantal mensen van de Astronauten onderzoeks-en opleidingscentrum (ACC) en Neusoft.
Dit werk wordt gefinancierd door het Strategic Priority Research Program on Space Science, Chinese Academy of Sciences: SJ-10 Recoverable Scientific Experiment Satellite (Grant No. XDA04020405 en XDA04020202-05), en door het gezamenlijke fonds van de National Natural Science Foundation of China (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 |
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).
