Summary
Neste artigo são apresentados um protocolo para o projeto de carga espacial, o experimento espacial em convecção termocapilar e análises de dados e imagens experimentais.
Abstract
A convecção termocapilar é um importante sujeito de pesquisa em física de fluidos de microgravidade. O estudo experimental sobre ondas superficiais de convecção termocapilar em uma piscina líquida anular é um dos 19 projetos experimentais científicos no satélite recuperável SJ-10. Apresentado é um projeto para uma carga experimental para estudo espacial sobre convecção termocapilar que inclui o modelo experimental, sistema de medição e sistema de controle. As especificidades para a construção de um modelo experimental de uma piscina líquida anular com razões de volume variável são fornecidas. As temperaturas dos fluidos são registradas por seis termopares com alta sensibilidade de 0,05 °C em diferentes pontos. As distribuições de temperatura na superfície livre de líquidos são capturadas por meio de uma câmera térmica infravermelha. A deformação da superfície livre é detectada por um sensor de deslocamento com alta precisão de 1 μm. O processo experimental é totalmente automatizado. A pesquisa está focada em fenômenos de oscilação termocapilar na superfície livre de líquidos e transições de padrão convectivo através de análises de dados e imagens experimentais. Esta pesquisa será útil para entender o mecanismo de convecção termocapilar e oferecerá mais insights sobre as características não lineares, instabilidade de fluxo e transições de bifurcação de convecção termocapilar.
Introduction
condições de microgravidade no espaço, muitos fenômenos físicos interessantes são apresentados devido à ausência de gravidade. Em um líquido com superfície livre, existe um novo sistema de fluxo (ou seja, fluxo termocapilar) que é causado pelo gradiente de temperatura ou gradiente de concentração. Diferente da convecção tradicional no solo, a convecção termocapilar é um fenômeno onipresente em ambientes espaciais. Como é um importante sujeito de pesquisa em física de fluidos de microgravidade, uma série de experimentos foram realizados tanto no espaço quanto no solo. Recentemente, estudos experimentais espaciais foram realizados sobre convecção termocapilar no satélite de experimentocientífico recuperável SJ-10. A carga de experimento espacial consistia em oito sistemas, ou seja, um sistema de experimento de fluidos, sistema de armazenamento e injeção de líquido, sistema de controle de temperatura, sistema de medição de termopar, câmera térmica infravermelha, sensores de deslocamento, sistema de aquisição de imagens CCD e sistema de controle elétrico, como mostrado na Figura 1 (esquerda). A carga de experimento espacial para pesquisa sobre ondas superficiais de convecção termocapilar é mostrada na Figura 1 (direita). Este estudo concentrou-se na instabilidade do fluxo, fenômenos de oscilação e transições, que são características importantes no processo de transição do fluxo laminar para o caos. Estudos sobre esses temas fundamentais têm grande significado para pesquisas sobre forte fluxo não linear.
Ao contrário da convecção de flutuação impulsionada pela força do volume, a convecção termocapilar é um fenômeno causado pela tensão superficial dentro da interface entre dois fluidos imiscíveis. A magnitude da tensão superficial muda com alguns parâmetros escalares, incluindo temperatura, concentração de soluto e força do campo elétrico. Quando esses campos escalares se distribuem de forma irregular na interface, haverá um gradiente de tensão superficial presente na superfície livre. O fluido na superfície livre é acionado pelo gradiente de tensão superficial para se mover do local com menor tensão superficial para a com maior tensão superficial. Este fluxo foi interpretado pela primeira vez por um físico italiano, Carlo Marangoni. Assim, foi nomeado o "efeito Marangoni"1. O fluxo de marangoni na superfície livre estende-se ao líquido interno por viscosidade e, como resultado, gera o que é conhecido como convecção marangoni.
Estritamente falando, para o sistema de fluidos com superfície livre, a convecção termocapilar e a convecção de flutuação sempre aparecem simultaneamente gravidade normal. Em geral, para um sistema convectivo macroscópico, a convecção termocapilar é um efeito menor e geralmente é ignorada em comparação com a convecção de flutuação. No entanto, a condição de um sistema convectivo de pequena escala ou no ambiente de microgravidade, a convecção de flutuação será muito enfraquecida, ou mesmo desaparecerá, e a convecção termocapilar se tornará dominante no sistema de fluxo. Por um longo período de tempo, a pesquisa tem sido focada na convecção de flutuação em macroescala devido às limitações nas atividades humanas e métodos de pesquisa2,3,4. No entanto, nas últimas décadas, com o rápido desenvolvimento da ciência e tecnologia moderna, como aeroespacial, cinema, MEMS e ciência não linear, a necessidade de mais pesquisas sobre convecção termocapilar tornou-se cada vez mais urgente.
Estudos sobre hidrodinâmica de microgravidade têm importante significância acadêmica e perspectivas de aplicação. Muitos dinâmicos, químicos físicos, biólogos e cientistas de materiais se reuniram para trabalhar neste campo. Kamotani e Ostrach concluíram experimentos de convecção termocapilar em uma piscina líquida anular em condições de microgravidade2,,5,6,7,,8 e observaram fluxo constante, fluxo oscilatório e condições críticas. Schwabe et al. estudaram a convecção flutuante-termocapilar em uma piscina líquida anular semelhante3,9 e descobriram que o fluxo oscilatório apareceu primeiro como ondas termocapilares, e depois se transformou em um fluxo mais complexo com o aumento da diferença de temperatura. Em 2002, Schwabe e Benz et al. relataram um grupo de experimentos em convecção termocapilar em uma piscina líquida anular realizada no satélite russo FOTON-124,10. Seus resultados experimentais espaciais foram consistentes com os resultados experimentais terrestres. Alguns cientistas japoneses realizaram três séries de experimentos em convecção termocapilar de ponte líquida, denominada Marangoni Experiment in Space (MEIS), na Estação Espacial Internacional11,12,13. Alguns equipamentos experimentais, incluindo a câmera, imagem térmica, sensores termopares e tecnologia 3D-PTV e fotocrômica, foram aplicados nessas três tarefas. Foram determinadas as condições críticas de convecção termocapilar em diferentes proporções, observadas estruturas de fluxo tridimensional (3D).
Nos últimos 30 anos, a ciência da microgravidade passou por um desenvolvimento prolífico na China14,15,16, e uma série de experimentos de microgravidade foram realizados no espaço17,18. No campo da física de fluidos, o primeiro experimento de microgravidade foi o estudo de fluido de duas camadas no satélite recuperável SJ-5 em 1999, e a estrutura de fluxo foi obtida pelo método de rastreamento de partículas14. Em 2004, o estudo sobre a migração termocapilar de uma gotícula foi realizado no SZ-4, e a relação entre a velocidade de migração e o número crítico de Mach (Ma) foi obtida15,16. Em 2005, o estudo experimental sobre migração termocapilar multibolhas foi realizado no JB-417, e as regras de migração foram obtidas à medida que o número de Ma foi aumentado para 8.000. Enquanto isso, problemas como a fusão de bolhas também foram estudados. Em 2006, o estudo sobre a transferência de massa de difusão foi realizado no satélite recuperável SJ-8, o interferômetro Mach-Zehnder foi aplicado pela primeira vez no experimento espacial, observou-se o processo de transferência de massa de difusão e o coeficiente de difusão foi avaliado18.
Nos últimos anos, uma série de estudos experimentais terrestres focados nos processos de oscilação e bifurcação na convecção termocapilar foram realizados, e o efeito acoplado da flutuação e da força termocapilar foi analisado. Os resultados experimentais mostram que o efeito de flutuação não pode ser ignorado em experimentos terrestres, pois desempenha um papel dominante em muitos casos19,20,21,22. Em 2016, dois experimentos de microgravidade foram realizados para pesquisa de convecção termocapilar na ponte líquida no TG-2, e convecção termocapilar na piscina líquida anular do satélite recuperável SJ-1023,24. O presente trabalho introduz a carga experimental de convecção termocapilar no SJ10, e os resultados do experimento espacial. Esses métodos serão úteis na exploração do mecanismo de oscilação termocapilar.
A fim de observar a transição de padrão convectivo, oscilação de temperatura e deformação da superfície sem líquido, seis termopares, uma câmera térmica infravermelha e um sensor de deslocamento para quantificar a frequência, amplitude e outras quantidades físicas da oscilação foram usados. Através de investigações sobre oscilação e transição na convecção termocapilar no espaço, o mecanismo de convecção termocapilar no ambiente de microgravidade, que fornece orientação científica para o crescimento de materiais no espaço, pode ser descoberto e compreendido. Além disso, avanços tecnológicos em tais experimentos espaciais, como as técnicas de manutenção de superfície líquida e injeção de líquido sem bolhas, aumentarão ainda mais a simplicidade e o nível técnico de experimentos de microgravidade em fluidos Física.
Este artigo introduz o desenvolvimento de carga e o experimento espacial do projeto de ondas de superfície termocapilar realizado no satélite experimental científico SJ-10. Como uma carga de experimento espacial, este sistema de convecção termocapilar tem uma forte capacidade anti-vibração para evitar choques violentos, especialmente durante o processo de lançamento do satélite. Para atender aos requisitos da operação remota, o processo de experimento espacial é controlado automaticamente, e os dados experimentais espaciais podem ser transmitidos para a Estação receptora de sinal terrestre da espaçonave e, em seguida, para o experimental dos cientistas Plataforma.
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Protocol
1. Projeto e preparação do sistema experimental
- Construa a piscina líquida anular.
- Construir uma piscina líquida anular de cobre medindo Ri = 4 mm de diâmetro interno e Ro = 20 mm de diâmetro externo e d = 12 mm de altura.
- Use uma placa de polisulfone medindo RP = 20 mm de diâmetro como a parte inferior da piscina líquida (ver Tabela de Materiais).
- Faça um pequeno orifício que mede φ = 2 mm de diâmetro perto da parede interna (6 mm de distância do centro do círculo) como o orifício de injeção de líquido.
- Mantenha a interface.
- Adicione cantos afiados (ângulos de 45°) nas paredes laterais interna e externa(Figura 2).
- Aplique líquido anti-rastejante21 (ver Tabela de Materiais) nas paredes internas e externas a uma altura superior a 12 mm.
- Prepare o sistema de armazenamento de líquido de trabalho.
- Escolha o óleo de silicone 2cSt como o líquido de trabalho (ver Tabela de Materiais).
- Use um cilindro hidráulico como recipiente para armazenar o óleo de silicone (ver Tabela de Materiais).
- Injete o fluido de trabalho no cilindro hidráulico usando a técnica sem bolhas antes do lançamento.
NOTA: Bolhas suspensas no fluido de trabalho resultarão na falha do experimento.- Descarregue o gás no óleo de silicone aquecendo o líquido a 60 °C e aplicando pressão <150 Pa por cerca de 6 h.
- Aspirar o sistema de armazenamento líquido até que sua pressão seja <200 Pa.
- Alivie a válvula para permitir que o óleo de silicone preencha o cilindro aspirado sem gás(Figura 3).
- Configure o sistema de injeção do líquido de trabalho.
- Selecione um motor de passo para conduzir a injeção ou sucção do líquido (ver Tabela de Materiais).
- Aplique uma válvula solenóide para controlar o interruptor de desligamento do sistema de injeção (ver Tabela de Materiais).
- Conecte o motor de passo ao cilindro líquido usando uma junta universal(Figura 4).
- Conecte o cilindro líquido, a válvula solenóide e o orifício de injeção sucessivamente com um tubo de 4 mm de diâmetro externo.
2. Estabelecimento do sistema de controle de temperatura
- Embed o cilindro interno com uma película de aquecimento (resistência Rt = 14,4 ± 0,5 Ω) e medir a temperatura Ti com um termopar tipo K (ver Tabela de Materiais).
- Simetricamente anexar seis chips de refrigeração (cada dois chips são conectados em paralelo como um grupo, e três grupos são conectados em uma série) à parede externa e obter a temperatura da parede externa To usando um termopar tipo K adicional.
NOTA: A diferença de temperatura é ΔT = Ti - To.
3. Estabelecimento do sistema de medição
NOTA: Todos os dispositivos podem ser controlados por software.
- Coloque seis termopares(T1 - T6) dentro da piscina líquida para medir temperaturas em diferentes pontos. O layout detalhado é mostrado na Figura 5.
- Coloque a câmera infravermelha diretamente acima da superfície líquida e gire a lente para ajustar o foco e coletar as informações do campo de temperatura na superfície livre de líquido (ver Tabela de Materiais).
- Ajuste o sensor de deslocamento para medir o deslocamento de um determinado ponto(r = 12 mm) na superfície líquida (ver Tabela de Materiais).
NOTA: O sensor de deslocamento a laser é usado para esta carga útil para realizar uma amostragem de alta velocidade de 100 μs, que é um método de medição de precisão ultra-alta com uma resolução de 1 μm, e uma linearidade de ± 0,1% F.S. - Use a câmera CCD para focar na superfície líquida e registrar a mudança da superfície livre (ver Tabela de Materiais, Figura 6).
NOTA: O número de pixels efetivos é de 752 x 582, e a iluminação mínima é de 1,6 Lux/F2.0.
4. Processo experimental
- Inicie o software de controle do experimento e ligue o botão de alimentação.
- Faça a injeção líquida.
- Aplique 12 V na válvula solenóide para abri-la.
- Ligue o botão do motor para pressionar o motor a um passo de 2.059 mm e injete 10.305 mL de óleo de silicone na piscina líquida.
- Desligue a potência da válvula solenóide para fechar a válvula solenóide.
- Realize aquecimento linear.
- Defina as condições experimentais da seguinte forma: temperatura-alvo de aquecimento Ti = 50 °C; temperatura alvo de resfriamento To = 15 °C; e taxa de aquecimento = 0,5 °C/min.
- Coletar dados.
- Defina as freqüências amostrais correspondentes do imager infravermelho, termopares, sensor de deslocamento e CCD para 7,5 Hz, 20 Hz, 20 Hz e 25 Hz, respectivamente.
- Clique no botão para obter o sistema de coleta de dados e monitorar a temperatura, deslocamento e outras informações usando o software do computador (Figura 7).
- Desligue o botão de alimentação.
NOTA: Aguarde 1h para que as temperaturas das extremidades quente e fria sejam iguais à temperatura ambiente para o experimento seguinte.
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Representative Results
Definiu-se a razão de volume precisa, e a topografia da superfície líquida foi reconstruída com base nas imagens capturadas pelo CCD. A condição crítica de instabilidade foi determinada, e as características de oscilação foram estudadas por meio de análises em sinais de temperatura de ponto único e sinais oscilantes de deslocamento. A estrutura do campo de fluxo foi obtida, e a transição do padrão de fluxo foi determinada através da mudança da imagem infravermelha com o tempo. As características de fluxo, mecanismo de fluxo e transição de bifurcação também podem ser estudadas por meio de análise abrangente sobre múltiplos resultados experimentais.
Imagens térmicas infravermelhas foram obtidas para visualizar as distribuições de temperatura na superfície livre de líquido sem líquido em convecção termocapilar. Uma variedade de padrões de fluxo oscilatório foram observadas, que incluem oscilação radial ou rotações circunferenciais no sentido horário/anti-horário(Figura 8). O fluxo termocapilar primeiro perde sua estabilidade e transições para oscilação radial, e depois para ondas circunferenciais girando. Descobriu-se que a convecção termocapilar constante evolui para uma onda em pé, depois uma onda itinerante, e finalmente para o estado de acoplamento de onda de viagem e onda em pé.
As temperaturas em diferentes locais do sistema de fluxo termocapilar foram medidas com termopares em determinadas razões de volume (Vr = 0,715). A Figura 9 (esquerda) mostra que as temperaturas dentro do fluido aumentaram linearmente com o aumento da diferença de temperatura. O campo de temperatura flutuava periodicamente uma vez que a diferença de temperatura excede um certo limiar, indicando que a convecção termocapilar desenvolveu-se de um estado estável para um estado oscilatório. Além disso, a amplitude da temperatura oscilatória cresceu à medida que o campo de fluxo evoluiu. A análise de espectro na Figura 9 (direita) indica que a frequência crítica de oscilação foi de 0,064 Hz.
A deformação da superfície livre de líquidos foi primeiramente estudada através de medições diretas. Ao comparar um grande número de dados de deformação para a superfície livre medido pelo sensor de deslocamento, e os dados de temperatura do fluido medido pelos termopares, observou-se que a deformação superficial e o campo de temperatura no fluido começaram a oscilar ao mesmo tempo e na mesma frequência(Figura 10).
Figura 1: Carga experimental espacial. (Esquerda) Esquema da carga. (Àdireita) Imagem da carga do experimento espacial. A convecção termocapilar pode ser observada por meio da câmera infravermelha, CCD e sensor de deslocamento. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 2: Esquemático e imagem da piscina líquida anular. Quando houve diferença de temperatura entre as duas extremidades, a convecção termocapilar foi gerada dentro da piscina líquida anular. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 3: Dispositivo de enchimento a vácuo e o processo de enchimento. Este procedimento realizado antes do lançamento garantiu que não fossem geradas bolhas no líquido durante os experimentos espaciais. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 4: Esquema da conexão entre o motor do passo a jato e o cilindro. A descarga de óleo de silicone ou a sucção ao cilindro podem ser realizadas controlando o interruptor de empurrão/puxão do motor do passo. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 5: Os locais de instalação dos termopares. Sinais de temperatura em diferentes alturas e ângulos azimutais podem analisar as características das ondas itinerantes. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 6: Imagem CCD da piscina líquida anular (Caso 13, Vr = 0,715). Se o nível líquido sobe ou não pode ser identificado pela imagem. A razão de volume também pode ser obtida pelo processamento de borda da imagem. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 7: Curva de controle de temperatura em tempo real (Caso 13, Vr = 0,715). Este é um modo de aquecimento linear com uma taxa de 0,5 °C/min. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 8: Campo de temperatura na superfície livre em um período (Caso 13, Vr = 0,715). (A)Imagens térmicas infravermelhas da onda hidrotérmica. (B) Gráficos 3D correspondentes de (A). (C) Imagens submédias periódicas correspondentes de imagens originais em (A). A zona fria e a zona quente aparecem alternadamente em pares. Vermelho = alta temperatura; azul = baixa temperatura. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 9: Medições de temperatura (Caso 13, Vr = 0,715). (Esquerda) Oscilação da temperatura com o aumento da diferença de temperatura. (Àdireita) Espectro de freqüência crítica correspondente de sinais em (A). PSD = Densidade espectral de potência. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 10: Medidas de oscilação da superfície livre de líquido (Caso 13, Vr = 0,715). (Esquerda) Deslocamento com o aumento da diferença de temperatura. (Àdireita) Espectro de freqüência correspondente de sinais no painel esquerdo. Quando a diferença de temperatura excede um certo limiar, o deslocamento flutuará periodicamente, e a amplitude aumenta à medida que a diferença de temperatura aumenta. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
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Discussion
Devido à limitação dos recursos espaciais, o volume do equipamento como um todo é de apenas 400 mm × 352 mm × 322 mm, com peso de apenas 22,9 ± 0,2 kg. Isso é muito inconveniente ao selecionar e estabelecer dispositivos experimentais, e o estabelecimento do sistema de fluxo torna-se o passo crítico. Portanto, a diferença de temperatura crescente é definida em duas extremidades da piscina líquida para que o fluido possa gerar uma série de fenômenos de fluxo. A fim de observar todo o processo de convecção de constante a oscilação em um único experimento, o óleo de silicone 2cSt é escolhido como o líquido de trabalho devido à sua transparência e parâmetros físicos apropriados. Além disso, devido à tensão superficial, a superfície líquida é curva. O ponto de observação do sensor de deslocamento deve estar no centro dos diâmetros interno e externo.
Ao negligenciar erros causados por propriedades físicas, a incerteza dos parâmetros experimentais pode ser obtida. A incerteza padrão sintética do limiar crítico da convecção termocapilar foi determinada como de 1,11%. A incerteza da razão de volume causada por fatores como evaporação líquida e leitura de volume está dentro de 4,00%, entre as quais as incertezas aleatórias padrão causadas pelas medições de temperatura e dimensões geométricas da piscina líquida são de 0,05 °C e 0,01 mm, respectivamente. A distância realizada pelo motor de passo para injeção/sucção líquida, e a unidade de movimento mínimo do motor é de 1 contagem = 3,5 × 10-6 mm. Combinado com as incertezas introduzidas pela injeção líquida/sucção e dimensões geométricas da piscina líquida, a incerteza sintética final da razão de volume é de 4,07%.
Apenas 23 grupos de valiosos dados experimentais espaciais foram obtidos devido ao tempo limitado de voo do satélite, e experimentos com uma grande diferença de temperatura (acima de 40 °C) ainda não foram realizados. Além disso, devido à limitação dos recursos espaciais, o modelo carece de função de rotação em comparação com o método real de crescimento de cristais industriais.
Em termos de desenvolvimento de equipamentos, dois problemas-chave foram resolvidos: a manutenção da superfície sem líquido e a injeção de líquido sem bolhas, ambos desempenhando papéis-chave na implementação bem sucedida de experimentos espaciais. Essas duas tecnologias-chave também foram aplicadas com sucesso em experimentos espaciais subsequentes, como na missão espacial Tiangong-2, e também serão aplicadas a experimentos espaciais adicionais no futuro.
O dispositivo experimental e o método de observação baseado na convecção termocapilar SJ10 podem fornecer uma base científica e suporte técnico para o estudo da mecânica dos fluidos, física da microgravidade, crescimento real de cristais industriais e, possivelmente, muitos outros inúmeras aplicações.
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Disclosures
Não temos nada para revelar.
Acknowledgments
Há muitos participantes que contribuíram para o trabalho relatado neste artigo, incluindo todos os membros da nossa equipe de projeto, bem como algumas pessoas do Centro de Pesquisa e Treinamento de Astronautas (ACC) e Neusoft.
Este trabalho é financiado pelo Programa de Pesquisa Prioritária Estratégica em Ciência espacial da Academia Chinesa de Ciências: SJ-10 Recoverable Scientific Experiment Satellite (Grant No. XDA04020405 e XDA0402020202-05), e pelo fundo conjunto da Fundação Nacional de CiênciaS Naturais da 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
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