Summary
En este documento se presenta un protocolo para el diseño de la carga útil espacial, el experimento espacial sobre convección termocapilar y análisis de datos experimentales e imágenes.
Abstract
La convección termorcapilar es un importante sujeto de investigación en la física de fluidos de microgravedad. El estudio experimental sobre ondas superficiales de convección termocapilar en una piscina líquida anular es uno de los 19 proyectos experimentales científicos en el satélite recuperable SJ-10. Presentado es un diseño para una carga útil para el estudio experimental espacial sobre convección termocapilar que incluye el modelo experimental, el sistema de medición y el sistema de control. Se proporcionan los detalles para la construcción de un modelo experimental de una piscina líquida anular con relaciones de volumen variables. Las temperaturas de los fluidos se registran mediante seis termopares con una alta sensibilidad de 0,05 oC en diferentes puntos. Las distribuciones de temperatura en la superficie libre de líquido se capturan mediante una cámara térmica infrarroja. La deformación de la superficie libre es detectada por un sensor de desplazamiento con una alta precisión de 1 m. El proceso experimental está totalmente automatizado. La investigación se centra en fenómenos de oscilación termocapilar en las transiciones de superficie sin líquido y patrón convectivo a través de análisis de datos experimentales e imágenes. Esta investigación será útil para entender el mecanismo de la convección termocapilar y ofrecerá más información sobre las características no lineales, la inestabilidad del flujo y las transiciones de bifurcación de la convección termocapilar.
Introduction
En condiciones de microgravedad en el espacio, muchos fenómenos físicos interesantes se presentan debido a la ausencia de gravedad. En un líquido con una superficie libre, existe un nuevo sistema de flujo (es decir, flujo termocapilar) que es causado por el gradiente de temperatura o gradiente de concentración. A diferencia de la convección tradicional en el suelo, la convección termocapilar es un fenómeno omnipresente en entornos espaciales. Como es un tema de investigación muy importante en la física de fluidos de microgravedad, se han llevado a cabo una serie de experimentos tanto en el espacio como en el suelo. Recientemente, se realizaron estudios experimentales espaciales sobre la convección termocapilar en el satélite de experimento científico recuperable SJ-10. La carga útil del experimento espacial consistió en ocho sistemas, a saber, un sistema de experimento de fluidos, sistema de almacenamiento e inyección de líquidos, sistema de control de temperatura, sistema de medición de termopar, cámara térmica infrarroja, sensores de desplazamiento, sistema de adquisición de imágenes CCD y sistema de control eléctrico, como se muestra en la Figura 1 (izquierda). La carga útil del experimento espacial para la investigación en ondas superficiales de convección termocapilar se muestra en la Figura 1 (derecha). Este estudio se centró en la inestabilidad del flujo, los fenómenos de oscilación y las transiciones, que son características importantes en el proceso de transición del flujo laminar al caos. Los estudios sobre estos temas fundamentales tienen un gran significado para la investigación sobre un flujo no lineal fuerte.
A diferencia de la convección de flotabilidad impulsada por la fuerza de volumen, la convección termocapilar es un fenómeno causado por la tensión superficial dentro de la interfaz entre dos fluidos inmiscibles. La magnitud de la tensión superficial cambia con algunos parámetros escalares, como la temperatura, la concentración de soluto y la fuerza del campo eléctrico. Cuando estos campos escalares se distribuyen de manera desigual en la interfaz, habrá un gradiente de tensión superficial presente en la superficie libre. El fluido en la superficie libre es impulsado por el gradiente de tensión superficial para moverse desde el lugar con menor tensión superficial a la que tiene mayor tensión superficial. Este flujo fue interpretado por primera vez por un físico italiano, Carlo Marangoni. Por lo tanto, fue nombrado el "efecto Marangoni"1. El flujo de Marangoni en la superficie libre se extiende al líquido interno por viscosidad y como resultado genera lo que se conoce como convección de Marangoni.
Estrictamente hablando, para el sistema de fluidos con una superficie libre, la convección termocapilar y la convección de flotabilidad siempre aparecen simultáneamente bajo gravedad normal. En general, para un sistema convectivo macroscópico, la convección termocapilar es un efecto menor y generalmente se ignora en comparación con la convección de flotabilidad. Sin embargo, bajo la condición de un sistema convectivo a pequeña escala o en el entorno de microgravedad, la convección de flotabilidad se debilitará en gran medida, o incluso desaparecerá, y la convección termocapilar se volverá dominante en el sistema de flujo. Durante un largo período de tiempo, la investigación se ha centrado en la convección de flotabilidad a escala macro-escala debido a las limitaciones en las actividades humanas y métodos de investigación2,3,4. Sin embargo, en las últimas décadas, con el rápido desarrollo de la ciencia y la tecnología modernas como la aeroespacial, el cine, el MEMS y la ciencia no lineal, la necesidad de seguir investigando sobre la convección termocapilar se ha vuelto cada vez más urgente.
Los estudios sobre la microdinámica de la gravedad tienen un importante significado académico y perspectivas de aplicación. Muchos dinámicaistas, químicos físicos, biólogos y científicos de materiales se han reunido para trabajar en este campo. Kamotani y Ostrach completaron experimentos sobre convección termocapilar en una piscina líquida anular en condiciones de microgravedad2,5,6,7,8 y observaron flujo constante, flujo oscilatorio y condiciones críticas. Estudió la convección boyante-termocapilar en una piscina líquida anular similar3,9 y encontraron que el flujo oscilatorio apareció primero como ondas termocapilares, y luego se convirtió en un flujo más complejo con el aumento de la diferencia de temperatura. En 2002, Schwabe y Benz et al. informaron de un grupo de experimentos sobre la convección termocapilar en una piscina líquida anular llevada a cabo en el satélite ruso FOTON-124,10. Sus resultados experimentales espaciales fueron consistentes con los resultados experimentales del suelo. Algunos científicos japoneses llevaron a cabo tres series de experimentos sobre la convección termocapilar de puentes líquidos, llamado S.O. Marangoni Experiment in Space (MEIS), en la Estación Espacial Internacional11,,12,,13. Algunos equipos experimentales, incluyendo la cámara, la cámara termográfica, los sensores de termopar y la tecnología 3D-PTV y fotocromática, se aplicaron en estas tres tareas. Se determinaron las condiciones críticas de la convección termorcapilar en diferentes relaciones de aspecto, y se observaron estructuras de flujo tridimensionales (3D).
En los últimos 30 años, la ciencia de la microgravedad ha experimentado un desarrollo prolífico en China14,,15,,16,y una serie de experimentos de microgravedad se han llevado a cabo en el espacio17,,18. En el campo de la física de fluidos, el primer experimento de microgravedad fue el estudio de fluido de dos capas en el satélite recuperable SJ-5 en 1999, y la estructura de flujo se obtuvo mediante el método de rastreo de partículas14. En 2004, el estudio sobre la migración termocapilar de una gota se llevó a cabo en la SZ-4, y la relación entre la velocidad de migración y el número crítico Mach (Ma) se obtuvo15,16. En 2005, el estudio experimental sobre la migración termocapilar multiburbuja se llevó a cabo en el JB-417,y las reglas de migración se obtuvieron a medida que el número Ma se incrementó a 8.000. Mientras tanto, también se estudiaron problemas como la fusión de burbujas. En 2006, el estudio sobre la transferencia de masa de difusión se llevó a cabo en el satélite recuperable SJ-8, el interferómetro Mach-Zehnder se aplicó por primera vez en el experimento espacial, se observó el proceso de transferencia de masa de difusión y se evaluó el coeficiente de difusión18.
En los últimos años, se han llevado a cabo una serie de estudios experimentales en tierra centrados en procesos de oscilación y bifurcación en convección termocapilar, y se ha analizado el efecto acoplado de flotabilidad y fuerza termocapilar. Los resultados experimentales muestran que el efecto de flotabilidad no puede ser ignorado en los experimentos terrestres, ya que desempeña un papel dominante en muchos casos19,,20,,21,22. En 2016, se llevaron a cabo dos experimentos de microgravedad para investigar la convección termocapilar en el puente líquido en el TG-2, y la convección termocapilar en la piscina líquida anular del satélite recuperable SJ-1023,24. El presente documento presenta la carga útil experimental de la convección termocapilar en el SJ10, y los resultados del experimento espacial. Estos métodos serán útiles para explorar el mecanismo de oscilación termocapilar.
Con el fin de observar la transición del patrón convectivo, la oscilación de la temperatura y la deformación de la superficie libre de líquidos, seis termopares, una cámara térmica infrarroja y un sensor de desplazamiento para cuantificar la frecuencia, amplitud y otras cantidades físicas de la oscilación se utilizaron. A través de investigaciones sobre oscilación y transición en la convección termocapilar en el espacio, el mecanismo de convección termocapilar en el entorno de microgravedad, que proporciona orientación científica para el crecimiento de materiales en el espacio, puede ser descubierto y entendido. Además, los avances tecnológicos en estos experimentos espaciales, como las técnicas de mantenimiento de superficies líquidas y la inyección de líquidos sin burbujas, mejorarán aún más la simplicidad y el nivel técnico de los experimentos de microgravedad en fluidos Física.
Este documento presenta el desarrollo de la carga útil y el experimento espacial del proyecto de ondas superficiales termocapilares llevado a cabo en el satélite experimental científico SJ-10. Como carga útil de experimento espacial, este sistema de convección termocapilar tiene una fuerte capacidad antivibración para prevenir choques violentos, especialmente durante el proceso de lanzamiento del satélite. Con el fin de cumplir con los requisitos de la operación remota, el proceso del experimento espacial se controla automáticamente, y los datos experimentales espaciales se pueden transmitir a la Estación receptora de señal estupida de la nave espacial y luego a la experimental de los científicos Plataforma.
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Protocol
1. Diseño y preparación del sistema experimental
- Construir la piscina de líquido anular.
- Construir una piscina líquida anular de cobre que mida Ri x 4 mm de diámetro interior y Ro 20 mm de diámetro exterior y d a 12 mm de altura.
- Utilice una placa de polisulfona que mida RP a 20 mm de diámetro como parte inferior de la piscina líquida (ver Tabla de materiales).
- Taladre un pequeño agujero que mida 2 mm de diámetro cerca de la pared interior (6 mm de distancia del centro del círculo) como el orificio de inyección de líquido.
- Mantenga la interfaz.
- Añadir esquinas afiladas (ángulos de 45o) en las paredes laterales interiores y exteriores(Figura 2).
- Aplique líquido anti-creeping21 (ver Tabla de Materiales)a las paredes interiores y exteriores a una altura superior a 12 mm.
- Preparar el sistema de almacenamiento del líquido de trabajo.
- Elija el aceite de silicona 2cSt como líquido de trabajo (ver Tabla de Materiales).
- Utilice un cilindro hidráulico como contenedor para almacenar el aceite de silicona (ver Tabla de Materiales).
- Inyecte el fluido de trabajo al cilindro hidráulico utilizando la técnica sin burbujas antes del lanzamiento.
NOTA: Las burbujas suspendidas en el fluido de trabajo provocarán el fracaso del experimento.- Descargue el gas en el aceite de silicona calentando el líquido a 60 oC y aplicando presión <150 Pa durante aproximadamente 6 h.
- Vacíe el sistema de almacenamiento de líquidos hasta que su presión sea <200 Pa.
- Alivie la válvula para permitir que el aceite de silicona llene el cilindro aspirado sin gas(Figura 3).
- Configure el sistema de inyección para el líquido de trabajo.
- Seleccione un motor paso a paso para conducir la inyección o succión de líquido (ver Tabla de materiales).
- Aplique una válvula solenoide para controlar el interruptor de encendido/apagado del sistema de inyección (ver Tabla de Materiales).
- Conecte el motor paso a paso al cilindro líquido utilizando una junta universal(Figura 4).
- Conecte el cilindro líquido, la válvula solenoide y el orificio de inyección sucesivamente con una tubería de 4 mm de diámetro exterior.
2. Establecimiento del sistema de control de temperatura
- Incruste el cilindro interior con una película de calentamiento (resistencia Rt a 14,4 o 0,5o) y mida la temperatura Ti con un termopar de tipo K (ver Tabla de materiales).
- Conecte simétricamente seis chips de refrigeración (cada dos virutas están conectadas en paralelo como grupo, y tres grupos están conectados en una serie) a la pared exterior y obtenga la temperaturade la pared exteriorT o utilizando un termopar adicional de tipo K.
NOTA: La diferencia de temperatura es deT a Ti - To.
3. Establecimiento del sistema de medición
NOTA: Todos los dispositivos pueden ser controlados por software.
- Coloque seis termopares (T1 - T6) dentro de la piscina de líquidos para medir las temperaturas en diferentes puntos. El diseño detallado se muestra en la Figura 5.
- Coloque la cámara infrarroja directamente sobre la superficie líquida y gire la lente para ajustar el enfoque y recopilar la información de campo de temperatura en la superficie libre de líquidos (consulte Tabla de materiales).
- Ajuste el sensor de desplazamiento para medir el desplazamiento de un determinado punto(r a 12 mm) en la superficie líquida (véase Tabla de materiales).
NOTA: El sensor de desplazamiento láser se utiliza para esta carga útil con el fin de realizar un muestreo de alta velocidad de 100 s, que es un método de medición de precisión ultra alta con una resolución de 1 m, y una linealidad de 0,1% F.S. - Utilice la cámara CCD para enfocar la superficie líquida y registrar el cambio de la superficie libre (ver Tabla de materiales, Figura 6).
NOTA: El número de píxeles efectivos es 752 x 582, y la iluminación mínima es 1.6 Lux/F2.0.
4. Proceso experimental
- Inicie el software de control del experimento y encienda el botón de encendido.
- Realice la inyección de líquido.
- Aplique 12 V sobre la válvula solenoide para abrirla.
- Encienda el botón del motor para empujar el motorat un paso de 2.059 mm e inyectar 10.305 ml de aceite de silicona en la piscina de líquido.
- Apague la alimentación de la válvula solenoide para cerrar la válvula solenoide.
- Realice un calentamiento lineal.
- Establezca las condiciones experimentales de la siguiente manera: temperatura objetivo de calentamiento Ti a 50 oC; temperatura objetivo de refrigeración To a 15 oC; y la tasa de calentamiento a 0,5 oC/min.
- Recopilar datos.
- Establezca las frecuencias de muestreo correspondientes del generador de imágenes infrarrojos, los termopares, el sensor de desplazamiento y el CCD a 7,5 Hz, 20 Hz, 20 Hz y 25 Hz, respectivamente.
- Haga clic en el botón del sistema de recopilación de datos y supervise la temperatura, el desplazamiento y otra información utilizando el software del equipo (Figura 7).
- Apague el botón de encendido.
NOTA: Espere 1 h para que las temperaturas de los extremos frío y caliente sean iguales a la temperatura ambiente para el siguiente experimento.
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Representative Results
Se definió la relación de volumen exacta y se reconstruyó la topografía de la superficie líquida en función de las imágenes capturadas por el CCD. Se determinó la condición de inestabilidad crítica, y se estudiaron las características de oscilación mediante análisis de señales de temperatura de un solo punto y señales oscilantes de desplazamiento. Se obtuvo la estructura del campo de flujo, y la transición del patrón de flujo se determinó mediante el cambio de la imagen infrarroja con el tiempo. Las características de flujo, el mecanismo de flujo y la transición de bifurcación también se pueden estudiar mediante un análisis exhaustivo de múltiples resultados experimentales.
Se han obtenido imágenes térmicas infrarrojas para visualizar las distribuciones de temperatura en la superficie libre de líquidos en la convección termocapilar. Se han observado una variedad de patrones de flujo oscilatológico, que incluyen oscilación radial o rotaciones circunferenciales en el sentido de las agujas del reloj/en sentido contrario a las agujas del reloj(Figura 8). El flujo termocapilar primero pierde su estabilidad y las transiciones a la oscilación radial, y luego a las ondas giratorias circunferencialmente. Se ha encontrado que la convección termocapilar constante evoluciona a una onda de pie, luego a una onda viajena, y finalmente al estado de acoplamiento de onda viajena y onda de pie.
Las temperaturas en diferentes ubicaciones del sistema de flujo termocapilar se midieron con termopares en determinadas relaciones de volumen (Vr a 0,715). La Figura 9 (izquierda) muestra que las temperaturas dentro del fluido aumentaron linealmente con el aumento de la diferencia de temperatura. El campo de temperatura fluctuó periódicamente una vez que la diferencia de temperatura supera un cierto umbral, lo que indica que la convección termocapilar se desarrolló de un estado estacionario a un estado oscilatorio. Además, la amplitud de la temperatura oscilatoria creció a medida que el campo de flujo evolucionó. El análisis del espectro en la Figura 9 (derecha) indica que la frecuencia de oscilación crítica fue de 0,064 Hz.
La deformación de la superficie libre de líquidos se estudió por primera vez mediante mediciones directas. Al comparar un gran número de datos de deformación para la superficie libre medidos por el sensor de desplazamiento, y los datos de temperatura del fluido medido por los termopares, se observó que la deformación superficial y el campo de temperatura en el fluido comenzaron a oscilar al mismo tiempo y a la misma frecuencia(Figura 10).
Figura 1: Carga experimental espacial. (Izquierda) Esquema de la carga útil. (Derecha) Imagen de la carga útil del experimento espacial. La convección termocapilar se puede observar por medio de la cámara infrarroja, CCD y sensor de desplazamiento. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 2: Esquema e imagen de la piscina líquida anular. Cuando había una diferencia de temperatura entre los dos extremos, la convección termocapilar se generaba dentro de la piscina líquida anular. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 3: Dispositivo de llenado al vacío y el proceso de llenado. Este procedimiento llevado a cabo antes del lanzamiento aseguró que no se generaran burbujas en el líquido durante los experimentos espaciales. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 4: Esquema de la conexión entre el motor paso a paso y el cilindro. La descarga de aceite de silicona o succión al cilindro se puede realizar mediante el control del interruptor de empuje / extracción del motor paso a paso. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 5: Las ubicaciones de instalación de los termopares. Las señales de temperatura a diferentes alturas y ángulos acimutales pueden analizar las características de la onda de viaje. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 6: Imagen CCD de la agrupación líquida anular (Caso 13, Vr a 0,715). La imagen puede identificar si el nivel de líquido sube o no. La relación de volumen también se puede obtener mediante el procesamiento de bordes de la imagen. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 7: Curva de control de temperatura en tiempo real (Caso 13, Vr a 0,715). Este es un modo de calentamiento lineal con una velocidad de 0.5 oC/min. Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta cifra.
Figura 8: Campo de temperatura en la superficie libre en un período (Caso 13, Vr a 0,715). (A) Imágenes térmicas infrarrojas de la onda hidrotérmica. (B) Gráficos 3D correspondientes de (A). (C) Correspondientes imágenes periódicas de subpromedio de imágenes originales en (A). La zona fría y la zona caliente aparecen alternativamente en pares. Rojo a alta temperatura; azul a baja temperatura. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 9: Mediciones de temperatura (caso 13, Vr a 0,715). (Izquierda) Oscilación de temperatura con el aumento de la diferencia de temperatura. (Derecha) Correspondiente espectro de frecuencia crítica de señales en (A). PSD - Densidad espectral de potencia. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 10: Mediciones de oscilación de la superficie libre de líquidos (Caso 13, Vr a 0,715). (Izquierda) Desplazamiento con el aumento de la diferencia de temperatura. (Derecha) Espectro de frecuencia correspondiente de señales en el panel izquierdo. Cuando la diferencia de temperatura supera un determinado umbral, el desplazamiento fluctuará periódicamente y la amplitud aumenta a medida que aumenta la diferencia de temperatura. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
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Discussion
Debido a la limitación de los recursos espaciales, el volumen del equipo en su conjunto es de sólo 400 mm a 352 mm a 322 mm, con un peso de sólo 22,9 x 0,2 kg. Esto es muy inconveniente al seleccionar y diseñar dispositivos experimentales, y el establecimiento del sistema de flujo se convierte en el paso crítico. Por lo tanto, la creciente diferencia de temperatura se establece en dos extremos de la piscina líquida para que el fluido pueda generar una serie de fenómenos de flujo. Con el fin de observar todo el proceso de la convección de constante a oscilación en un solo experimento, 2cSt aceite de silicona se elige como el líquido de trabajo debido a su transparencia y parámetros físicos adecuados. Además, debido a la tensión superficial, la superficie líquida es curvada. El punto de observación del sensor de desplazamiento debe estar en el centro de los diámetros interior y exterior.
Al descuidar los errores causados por las propiedades físicas, se puede obtener la incertidumbre de los parámetros experimentales. Se determinó que la incertidumbre estándar sintética del umbral crítico de la convección termocapilar era del 1,11%. La incertidumbre de la relación de volumen causada por factores como la evaporación de líquidos y la lectura del volumen está dentro del 4,00%, entre las que las incertidumbres aleatorias estándar causadas por las mediciones de temperatura y las dimensiones geométricas de la piscina líquida son de 0,05 oC y 0,01 mm, respectivamente. La distancia realizada por el motor paso a paso para inyección/succión de líquidos, y la unidad de movimiento mínima del motor es de 1 recuento de 3,5 x 10-6 mm. Combinado con las incertidumbres introducidas por las dimensiones de inyección/succión y geométricas de líquido de la piscina líquida, la incertidumbre sintética final de la relación de volumen es del 4,07%.
Sólo se han obtenido 23 grupos de valiosos datos experimentales espaciales debido al tiempo de vuelo limitado del satélite, y los experimentos a una gran diferencia de temperatura (por encima de 40 oC) aún no se han llevado a cabo. Además, debido a la limitación de los recursos espaciales, el modelo carece de función de rotación en comparación con el método de crecimiento de cristal es industrial real.
En términos de desarrollo de equipos, se han resuelto dos problemas clave, a saber, el mantenimiento de la superficie libre de líquidos y la inyección de líquido sin burbujas, que desempeñan un papel clave en la implementación exitosa de experimentos espaciales. Estas dos tecnologías clave también se han aplicado con éxito a los experimentos espaciales posteriores, como en la misión espacial Tiangong-2, y también se aplicarán a experimentos espaciales adicionales en el futuro.
El dispositivo experimental y el método de observación basado en la convección termocapilar SJ10 pueden proporcionar una base científica y soporte técnico para el estudio de la mecánica de fluidos, la física de microgravedad, el crecimiento real del cristal industrial, y posiblemente muchos otros numerosas aplicaciones.
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Disclosures
No tenemos nada que revelar.
Acknowledgments
Hay muchos participantes que han contribuido al trabajo reportado en este documento, incluyendo a todos los miembros de nuestro equipo de proyecto, así como algunas personas del Centro de Investigación y Entrenamiento de Astronautas (ACC) y Neusoft.
Este trabajo está financiado por el Programa Estratégico de Investigación Prioritaria sobre Ciencia espacial, Academia China de Ciencias: SJ-10 Vólte De Experimento Científico Recuperable (Grant No. XDA04020405 y XDA04020202-05), y por el fondo conjunto de la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de 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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