本文介绍了一种空间载荷设计的方案、关于热毛细对流的空间实验，以及实验数据与图像的分析方法。
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本文内容
摘要
摘要
热毛细对流是微重力流体力学中的一个重要研究课题。环形液池中热毛细对流表面波的实验研究是中国SJ-10可回收卫星上开展的19项科学实验项目之一。本文介绍了一套用于空间热毛细对流实验研究的有效载荷设计，包括实验模型、测量系统和控制系统。文中详细说明了具有可变体积比的环形液池实验模型的构建方法。通过六个高灵敏度达0.05 °C的热电偶，在不同位置记录流体温度。利用红外热像仪获取液面自由表面的温度分布。采用精度高达1 µm的位移传感器检测自由表面的形变。整个实验过程实现全自动控制。本研究重点通过实验数据与图像分析，探讨液面自由表面上的热毛细振荡现象以及对流模式的转变。该研究将有助于深入理解热毛细对流的机理，并进一步揭示其非线性特征、流动失稳及分岔转变行为。
引言
在太空的微重力条件下，由于重力的缺失，会出现许多有趣的物理现象。在具有自由表面的液体中，会因温度梯度或浓度梯度而产生一种新的流动系统（即热毛细流动）。与地面上的传统对流不同，热毛细对流是空间环境中普遍存在的一种现象。作为微重力流体物理中一个非常重要的研究课题，已开展大量在轨及地面实验。近期，在“实践十号”可回收科学实验卫星上开展了关于热毛细对流的空间实验研究。该空间实验载荷由八个系统组成，分别为流体实验系统、液体储存与注入系统、温度控制系统、热电偶测量系统、红外热像仪、位移传感器、CCD图像采集系统和电控系统，如图1（左）所示。用于研究热毛细对流表面波的空间实验载荷如图1（右）所示。本研究聚焦于流动失稳、振荡现象及其转捩过程，这些是层流向混沌转变过程中的重要特征。对这些基础课题的研究对于强非线性流动的相关研究具有重要意义。
与由体积力驱动的浮力对流不同，热毛细对流是由两种不相溶流体界面处的表面张力引起的现象。表面张力的大小会随某些标量参数的变化而改变，这些参数包括温度、溶质浓度和电场强度。当这些标量场在界面处分布不均时，自由表面将产生表面张力梯度。自由表面上的流体在表面张力梯度的驱动下，从表面张力较小的区域流向表面张力较大的区域。这种流动最早由一位意大利物理学家卡洛·马拉戈尼（Carlo Marangoni）解释，因此被称为"马兰戈尼效应"1。自....
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方案
1. 实验系统的设计与准备
- 构建环形液池。
- 制作一个铜制环形液池，内径为 Ri = 4 mm，外径为 Ro = 20 mm，高度为 d = 12 mm。
- 使用直径为 RP = 20 mm 的聚砜板作为液池底部（见材料表）。
- 在靠近内壁处（距圆心6 mm）钻一个直径为 ϕ = 2 mm 的小孔，作为液体注入孔。
- 维持界面稳定。
- 在内、外侧壁上设置尖锐棱角（45°角）（图2）。
- 将防爬液21（见材料表）涂覆于内、外壁，高度超过12 mm。
- 准备工作液体的储存系统。
- 选用2 cSt硅油作为工作液体（见材料表）。
- 使用液压缸作为储存硅油的容器（见材料表）。
- 在启动前采用无气泡技术将工作液体注入液压缸。
注意：工作液体中悬浮的气泡将导致....
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结果
确定了精确的体积比，并基于CCD拍摄的图像重建了液面形貌。通过分析单点温度信号和位移振荡信号，确定了临界失稳条件并研究了振荡特性。通过红外图像随时间的变化，获得了流场结构并确定了流动模式的转变。通过对多个实验结果的综合分析，还可进一步研究流动特性、流动机理及分岔转捩过程。
已获取红外热成像图，以可视化无液表面在热毛细对流中的温度分布。观察到多种振荡流动模式，包括径向振荡或顺时针/逆时针周向旋转（图8）。热毛细流动首先失去稳定性，转变为径向振荡，随后发展为周向行进的旋转波。研究发现，稳定的热毛细对流会演化为驻波，继而转变为行波，最终形成行波与驻波的耦合状态。
在不同位置处的热毛细流动系统中的温度通过热电偶在特定体积比（Vr = 0.715）下进行测量。
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讨论
由于空间资源有限，设备整体体积仅为 400 mm × 352 mm × 322 mm，重量仅为 22.9 ± 0.2 kg。这在实验装置的选型与布局时极为不便，流路系统的构建因而成为关键步骤。因此，在液池两端设置温差，使流体能够产生一系列流动现象。为了在单次实验中观察到对流从稳定状态到振荡的全过程，选用透明且物理参数适宜的 2cSt 硅油作为工作液体。此外，由于表面张力的作用，液面呈弯曲状。位移传感器的观测点应位于内外直径的中心位置。
在忽略由物理性质引起的误差后，可获得实验参数的不确定度。热毛细对流临界阈值的合成标准不确定度确定为1.11%。由液体蒸发和体积读数等因素引起的体积比不确定度在4.00%以内，其中温度测量和液池几何尺寸引起的标准随机不确定度分别为0.05 °C和0.01 mm。步进电机实现液体注入/抽出的位移中，电机的最小运动单位为1计数 = 3.5 × 10-6 mm。结合液体注入/抽出及液池几何尺寸引入的不确定度，体积比的最终合成不确定度为4.07%。
由于卫星飞行时间有限，仅获得了23.......
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披露
我们没有需要披露的内容。
致谢
有许多参与者为本文报道的研究工作做出了贡献，包括我们项目团队的所有成员，以及来自航天员科研训练中心（ACC）和东软公司的一些人员。
本工作由中科院空间科学战略性先导科技专项：SJ-10返回式科学实验卫星（课题编号：XDA04020405 和 XDA04020202-05）以及国家自然科学基金联合基金（U1738116）资助。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 防爬液 | 3M | EGC-1700 | |
| CCD | WATTEC | WAT-230VIVID | |
| 位移传感器 | Panasonic | HL-C1 | |
| 加热膜 | HongYu | 125 Q/W335.1A | |
| 液压缸 | FESTO | ADVU-40-25-P-A | |
| 红外相机 | FLIR | Tau2 | |
| LED | 693研究所 | 10257MW7C | |
| 电机 | PI | M-227 | |
| 电机控制器 | PI | C-863 | |
| 管道，4 mm | FESTO | PUN-4X0,75-GE | |
| 聚砜板 | 507研究所 | ||
| 制冷芯片 | 中科 | 9502/065/021M | |
| 硅油，2 cSt | 信越 | KF-96 | |
| 电磁阀 | FESTO | MFH-2-M5 | |
| 温度控制器 | Eurotherm | 3304 | |
| 热电偶，K型 | 中北大学 | ZBDX-HTTK |
参考文献
- Scriven, L. E., Sternling, C. V. The Marangoni effect. Nature. 187, 186-188 (1960).
- 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.
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重印与许可
