Name: Thermokapillarkonvektionsraumexperiment auf dem SJ-10 Recoverable Satellite (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2020-03-11T12:00:00.000+00:00
Duration: 7 min
Description: Erfahren Sie, wie Thermokapillarkonvektion in der Mikrogravitation untersucht wird. Diese Methode nutzt Thermoelemente und Infrarotkameras zur Analyse von Temperaturoszillationen und Oberflächendeformationen in Flüssigkeiten.

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Es gibt viele Teilnehmer, die an der arbeit beigetragen haben, die in dieser Zeitung berichtet wurde, einschließlich aller Mitglieder unseres Projektteams, sowie einige Leute vom Astronauts Research and Training Center (ACC) und Neusoft.
Diese Arbeit wird durch das Strategic Priority Research Program on Space Science, Chinese Academy of Sciences: SJ-10 Recoverable Scientific Experiment Satellite (Grant No. XDA04020405 und XDA04020202-05) und durch den gemeinsamen Fonds der National Natural Science Foundation of China (U1738116).

1. Konzeption und Vorbereitung des Versuchssystems
<ol><li>Bauen Sie den ringförmigen Flüssigkeitspool.<ol>
<li>Bauen Sie einen kupfernularen Flüssigkeitspool mit einem Innendurchmesser von Ri = 4 mm und einem Außendurchmesser von Ro = 20 mm und d = 12 mm in der Höhe.</li>
		<li>Verwenden Sie eine Polysulfonplatte mit einem Durchmesser von RP = 20 mm als Boden des Flüssigkeitspools (siehe Materialtabelle).</li>
		<li>Bohren Sie ein kleines Loch mit einem Durchmesser von 2 mm in der Nähe der Innenwand (6 mm vom Kreismitte entfernt) als flüssiges Einspritzloch.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Pflegen Sie die Schnittstelle.<ol>
<li>Fügen Sie scharfe Ecken (45° Winkel) an der inneren und äußeren Seitenwände (Abbildung 2).</li>
		<li>Antikriechmittel21 (siehe Materialtabelle)auf die Innen- und Außenwände auf eine Höhe von mehr als 12 mm auftragen.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Bereiten Sie das Lagersystem der arbeitsfähigen Flüssigkeit vor.<ol>
<li>Wählen Sie 2cSt Silikonöl als Arbeitsflüssigkeit (siehe Tabelle der Materialien).</li>
		<li>Verwenden Sie einen Hydraulikzylinder als Behälter für die Lagerung des Silikonöls (siehe Tabelle der Materialien).</li>
		<li>Injizieren Sie die Arbeitsflüssigkeit vor dem Start mit der blasenfreien Technik in den Hydraulikzylinder. HINWEIS: Blasen, die in der Arbeitsflüssigkeit aufgehängt werden, führen zum Scheitern des Experiments.<ol>
<li>Entladen Sie das Gas im Silikonöl, indem Sie die Flüssigkeit auf 60 °C erwärmen und etwa 6 h Druck <150 Pa anwenden.</li>
			<li>Vakuumieren Sie das Flüssigkeitsspeichersystem, bis sein Druck <200 Pa ist.</li>
			<li>Entlasten Sie das Ventil, damit das Silikonöl den vakuumierten Zylinder ohne Gas füllen kann (Abbildung 3).</li>
		</ol>
</li>
	</ol>
</li>
	<li>Richten Sie das Injektionssystem für die Arbeitsflüssigkeit ein.<ol>
<li>Wählen Sie einen Schrittmotor aus, um die Einspritzung oder Absaugung von Flüssigkeit anzutreiben (siehe Tabelle der Materialien).</li>
		<li>Tragen Sie ein Magnetventil auf, um den Einschaltschalter des Einspritzsystems zu steuern (siehe Materialtabelle).</li>
		<li>Verbinden Sie den Schrittmotor mit einem Universalgelenk an den Flüssigkeitszylinder (Abbildung 4).</li>
		<li>Verbinden Sie den Flüssigkeitszylinder, das Magnetventil und die Einspritzbohrung sukzessive mit einem Rohr mit einem Außendurchmesser von 4 mm.</li>
	</ol>
</li>
</ol>2. Aufbau des Temperaturregelungssystems
<ol><li>Den Innenzylinder mit einem Heizfilm einbetten (Widerstand Rt = 14,4 x 0,5 °C) und messen Sie die Temperatur Ti mit einem K-Thermoelement (siehe Materialtabelle).</li>
	<li>Befestigen Sie symmetrisch sechs Kühlchips (alle zwei Späne sind als Gruppe parallel verbunden und drei Gruppen sind in einer Reihe verbunden) an die Außenwand und erhalten die Außenwandtemperatur To mit einem zusätzlichen K-Thermoelement. ANMERKUNG: Die Temperaturdifferenz beträgtT = Ti - To.</li>
</ol>3. Einrichtung des Messsystems
HINWEIS: Alle Geräte können per Software gesteuert werden.
<ol><li>Legen Sie sechs Thermoelemente (T1 - T6) in den Flüssigkeitspool, um die Temperaturen an verschiedenen Punkten zu messen. Das detaillierte Layout ist in Abbildung 5dargestellt.</li>
	<li>Platzieren Sie die Infrarotkamera direkt über der flüssigen Oberfläche, und drehen Sie die Linse, um den Fokus einzustellen und die Temperaturfeldinformationen auf der flüssigkeitsfreien Oberfläche zu sammeln (siehe Tabelle der Materialien).</li>
	<li>Passen Sie den Verschiebungssensor an, um die Verschiebung eines bestimmten Punkts (r = 12 mm) auf der flüssigen Oberfläche zu messen (siehe Materialtabelle). HINWEIS: Für diese Nutzlast wird der Laserverschiebungssensor verwendet, um eine 100-Fach-Hochgeschwindigkeits-Probenahme zu realisieren, bei der es sich um eine ultrahochpräzise Messmethode mit einer Auflösung von 1 m und einer Linearität von 0,1 % F.S. handelt.</li>
	<li>Verwenden Sie die CCD-Kamera, um sich auf die flüssige Oberfläche zu konzentrieren und die Veränderung der freien Oberfläche aufzuzeichnen (siehe Tabelle der Materialien, Abbildung 6). HINWEIS: Die Anzahl der effektiven Pixel ist 752 x 582, und die minimale Beleuchtung ist 1.6 Lux/F2.0.</li>
</ol>4. Experimenteller Prozess
<ol><li>Starten Sie die Experimentsteuerungssoftware und schalten Sie die Ein-/Aus-Taste ein.</li>
	<li>Führen Sie die Flüssigkeitsinjektion durch.<ol>
<li>Tragen Sie 12 V auf das Magnetventil auf, um es zu öffnen.</li>
		<li>Schalten Sie den Motorknopf ein, um den Motor in einem Schritt von 2.059 mm zu drücken und 10.305 ml Silikonöl in den Flüssigkeitspool zu injizieren.</li>
		<li>Schalten Sie die Magnetventilleistung aus, um das Magnetventil zu schließen.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Führen Sie eine lineare Erwärmung durch.<ol>
<li>Stellen Sie die Versuchsbedingungen wie folgt ein: Heizzieltemperatur Ti = 50 °C; Kühlzieltemperatur To = 15 °C; heizrate = 0.5 °C/min.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Sammeln Sie Daten.<ol>
<li>Stellen Sie die entsprechenden Abtastfrequenzen des Infrarot-Imagers, thermoelements, des Verschiebungssensors und ccD auf 7,5 Hz, 20 Hz, 20 Hz bzw. 25 Hz ein.</li>
		<li>Klicken Sie auf die Schaltfläche für das Datenerfassungssystem, und überwachen Sie die Temperatur, Verschiebung und andere Informationen mithilfe der Computersoftware (Abbildung 7).</li>
	</ol>
</li>
	<li>Schalten Sie die Ein-/Aus-Taste aus. HINWEIS: Warten Sie 1 h, damit die Temperaturen der heißen und kalten Enden der Umgebungstemperatur für das folgende Experiment entsprechen.</li>
</ol>

<ol><li>Scriven, L. E., Sternling, C. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+Marangoni+effect%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">The Marangoni effect.</a> Nature. 187, 186-188 (1960).</li>
<li>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, <a target="_blank" href="https://heattransfer.asmedigitalcollection.asme.org/">https://heattransfer.asmedigitalcollection.asme.org/</a> 53-59 (1994).</li>
<li>Benz, S., Schwabe, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+three-dimensional+stationary+instability+in+dynamic+thermocapillary+shallow+cavities%5BTitle%5D)+AND+%22Experiments+in+Fluids%22%5BJournal%5D)">The three-dimensional stationary instability in dynamic thermocapillary shallow cavities.</a> Experiments in Fluids. 31, 409-416 (2001).</li>
<li>Schwabe, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Buoyant-thermocapillary+and+pure+thermocapillary+convective+instabilities+in+Czochralski+systems%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Crystal+Growth%22%5BJournal%5D)">Buoyant-thermocapillary and pure thermocapillary convective instabilities in Czochralski systems.</a> Journal of Crystal Growth. 237-239, 1849-1853 (2002).</li>
<li>Kamotani, Y., Ostrach, S., Pline, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Analysis+of+velocity+data+taken+in+surface+tension+drivenconvection+experiment+in+microgravity%5BTitle%5D)+AND+%22Physics+of+Fluids%22%5BJournal%5D)">Analysis of velocity data taken in surface tension drivenconvection experiment in microgravity.</a> Physics of Fluids. 6, 3601-3609 (1994).</li>
<li>Kamotani, Y., Ostrach, S., Pline, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+thermocapillary+convection+experiment+in+microgravity%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Heat+Transfer%22%5BJournal%5D)">A thermocapillary convection experiment in microgravity.</a> Journal of Heat Transfer. 117, 611-618 (1995).</li>
<li>Kamotani, Y., Ostrach, S., Pline, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Some+temperature+field+results+from+the+thermocapillary+flow+experiment+aboard+USML-2+spacelab%5BTitle%5D)+AND+%22Advances+in+Space+Research%22%5BJournal%5D)">Some temperature field results from the thermocapillary flow experiment aboard USML-2 spacelab.</a> Advances in Space Research. 22, 1189-1195 (1998).</li>
<li>Kamotani, Y., Ostrach, S., Masud, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Microgravity+experiments+and+analysis+of+oscillatory+thermocapillary+flows+in+cylindrical+containers%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Fluid+Mechanics%22%5BJournal%5D)">Microgravity experiments and analysis of oscillatory thermocapillary flows in cylindrical containers.</a> Journal of Fluid Mechanics. 410, 211-233 (2000).</li>
<li>Schwabe, D., Benz, S., Cramer, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Experiment+on+the+Multi-roll-structure+of+thermocapillary+flow+in+side-heated+thin+liquid+layers%5BTitle%5D)+AND+%22Advances+in+Space+Research%22%5BJournal%5D)">Experiment on the Multi-roll-structure of thermocapillary flow in side-heated thin liquid layers.</a> Advances in Space Research. 24 (10), 1367-1373 (1999).</li>
<li>Schwabe, D., Benz, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Thermocapillary+flow+instabilities+in+an+annulus+under+microgravity+results+of+the+experiment+MAGIA%5BTitle%5D)+AND+%22Advances+in+Space+Research%22%5BJournal%5D)">Thermocapillary flow instabilities in an annulus under microgravity results of the experiment MAGIA.</a> Advances in Space Research. 29, 629-638 (2002).</li>
<li>Kawamura, H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Report+on+Microgravity+Experiments+of+Marangoni+Convection+Aboard+International+Space+Station%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Heat+Transfer%22%5BJournal%5D)">Report on Microgravity Experiments of Marangoni Convection Aboard International Space Station.</a> Journal of Heat Transfer. 134 (3), 031005(2012).</li>
<li>Sato, F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Hydrothermal+Wave+Instability+in+a+High-Aspect-Ratio+Liquid+Bridge+of+Pr+%3E+200%5BTitle%5D)+AND+%22Microgravity+Science+and+Technology%22%5BJournal%5D)">Hydrothermal Wave Instability in a High-Aspect-Ratio Liquid Bridge of Pr > 200.</a> Microgravity Science and Technology. 25 (1), 43-58 (2013).</li>
<li>Yano, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Instability+and+associated+roll+structure+of+Marangoni+convection+in+high+Prandtl+number+liquid+bridge+with+large+aspect+ratio%5BTitle%5D)+AND+%22Physics+of+Fluids%22%5BJournal%5D)">Instability and associated roll structure of Marangoni convection in high Prandtl number liquid bridge with large aspect ratio.</a> Physics of Fluids. 27 (2), 024108(2015).</li>
<li>Yao, Y. L., Liu, Q. S., Zhang, P., Hu, L., Liu, F., Hu, W. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Space+Experiments+on+Thermocapillary+Convection+and+Marangoni+Convection+in+Two+Immiscible+Liquid+Layers%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+the+Japan+Society+of+Microgravity+Application%22%5BJournal%5D)">Space Experiments on Thermocapillary Convection and Marangoni Convection in Two Immiscible Liquid Layers.</a> Journal of the Japan Society of Microgravity Application. 15, 394-398 (1998).</li>
<li>Zhang, P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Space+experimental+device+on+Marangoni+drop+migrations+of+large+Reynolds+numbers%5BTitle%5D)+AND+%22Science+in+China%22%5BJournal%5D)">Space experimental device on Marangoni drop migrations of large Reynolds numbers.</a> Science in China. 44 (6), Series E. 605-614 (2001).</li>
<li>Xie, J. C., Lin, H., Zhang, P., Liu, F., Hu, W. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Experimental+investigation+on+thermocapillary+drop+migration+at+large+Marangoni+number+in+reduced+gravity%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Colloid+and+Interface+Science%22%5BJournal%5D)">Experimental investigation on thermocapillary drop migration at large Marangoni number in reduced gravity.</a> Journal of Colloid and Interface Science. 285, 737-743 (2005).</li>
<li>Kang, Q., Cui, H. L., Hu, L., Duan, L., Hu, W. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Experimental+Investigation+on+bubble+coalescence+under+non-uniform+temperature+distribution+in+reduced+gravity%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Colloid+and+Interface+Science%22%5BJournal%5D)">Experimental Investigation on bubble coalescence under non-uniform temperature distribution in reduced gravity.</a> Journal of Colloid and Interface Science. 310, 546-549 (2007).</li>
<li>Duan, L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+real-time+March-Zehnder+interferometer+used+in+space+experiment%5BTitle%5D)+AND+%22Microgravity+Science+and+Technology%22%5BJournal%5D)">The real-time March-Zehnder interferometer used in space experiment.</a> Microgravity Science and Technology. 20, 91-98 (2008).</li>
<li>Zhu, P., Zhou, B., Duan, L., Kang, Q. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Characteristics+of+surface+oscillation+in+thermocapillary+convection%5BTitle%5D)+AND+%22Experimental+Thermal+and+Fluid+Science%22%5BJournal%5D)">Characteristics of surface oscillation in thermocapillary convection.</a> Experimental Thermal and Fluid Science. 35, 1444-1450 (2011).</li>
<li>Zhu, P., Duan, L., Kang, Q. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Transition+to+chaos+in+thermocapillary+convection%5BTitle%5D)+AND+%22International+Journal+of+Heat+and+Mass+Transfer%22%5BJournal%5D)">Transition to chaos in thermocapillary convection.</a> International Journal of Heat and Mass Transfer. 57, 457-464 (2013).</li>
<li>Kang, Q., Duan, L., Zhang, L., Yin, Y. L., Yang, J. S., Hu, W. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Thermocapillary+convection+experiment+facility+of+an+open+cylindrical+annuli+for+SJ-10+satellite%5BTitle%5D)+AND+%22Microgravity+Science+and+Technology%22%5BJournal%5D)">Thermocapillary convection experiment facility of an open cylindrical annuli for SJ-10 satellite.</a> Microgravity Science and Technology. 28, 123-132 (2016).</li>
<li>Wang, J., Wu, D., Duan, L., Kang, Q. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Ground+Experiment+on+the+Instability+of+Buoyant-thermocapillary+Convection+in+Large+Scale+Liquid+Bridge+with+Large+Prandtl+Number%5BTitle%5D)+AND+%22International+Journal+of+Heat+and+Mass+Transfer%22%5BJournal%5D)">Ground Experiment on the Instability of Buoyant-thermocapillary Convection in Large Scale Liquid Bridge with Large Prandtl Number.</a> International Journal of Heat and Mass Transfer. 108, 2107-2119 (2017).</li>
<li>Kang, Q., Jiang, H., Duan, L., Zhang, C., Hu, W. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+Critical+Condition+and+Oscillation+-+Transition+Characteristics+of+Thermocapillary+Convection+in+the+Space+Experiment+on+SJ-10+Satellite%5BTitle%5D)+AND+%22International+Journal+of+Heat+and+Mass+Transfer%22%5BJournal%5D)">The Critical Condition and Oscillation - Transition Characteristics of Thermocapillary Convection in the Space Experiment on SJ-10 Satellite.</a> International Journal of Heat and Mass Transfer. 135, 479-490 (2019).</li>
<li>Kang, Q., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+volume+ratio+effect+on+flow+patterns+and+transition+processes+of+thermocapillary+convection%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Fluid+Mechanics%22%5BJournal%5D)">The volume ratio effect on flow patterns and transition processes of thermocapillary convection.</a> Journal of Fluid Mechanics. 868 (108), 560-583 (2019).</li>
</ol>

Wir haben nichts zu verraten.

Aufgrund der Begrenzung der Platzressourcen beträgt das Volumen der Ausrüstung insgesamt nur 400 mm x 352 mm x 322 mm, mit einem Gewicht von nur 22,9 x 0,2 kg. Dies ist sehr umständlich bei der Auswahl und Demerstellung von Versuchsgeräten, und die Etablierung des Strömungssystems wird zum entscheidenden Schritt. Daher wird die steigende Temperaturdifferenz an zwei Enden des Flüssigkeitsbeckens eingestellt, so dass die Flüssigkeit eine Reihe von Strömungsphänomenen erzeugen kann. Um den gesamten Prozess der Konvektion vo...

Unter Deraschwereim Raum werden aufgrund der fehlenden Schwerkraft viele interessante physikalische Phänomene dargestellt. In einer Flüssigkeit mit freier Oberfläche gibt es ein neues Strömungssystem (d.h. thermokapillaren Fluss), das durch den Temperaturgradienten oder Konzentrationsgradienten verursacht wird. Anders als die traditionelle Konvektion am Boden ist die thermokapillare Konvektion ein allgegenwärtiges Phänomen in Weltraumumgebungen. Da es sich um ein sehr wichtiges Forschungsthema in der Mikrogravitations-Flüssigkeitsphysik handelt, wurden eine Reihe von Experimenten im Weltraum und am Boden durchgeführt. Kürzlich wurden experimentelle Weltraumstudien zur thermokapillaren Konvektion auf dem sJ-10-reproduzierbaren wissenschaftlichen Experimentiersatelliten durchgeführt. Die Nutzlast des Weltraumexperiments bestand aus acht Systemen, nämlich einem Flüssigkeitsexperiment, Flüssigkeitsspeicher und Injektionssystem, Temperaturregelungssystem, Thermoelement-Messsystem, Infrarot-Wärmebildkamera, Verdrängungssensoren, CCD-Bildaufnahmesystem und elektrischer Steuerung, wie in Abbildung 1 (links) dargestellt. Die Nutzlast des Weltraumexperiments für die Erforschung von Oberflächenwellen der thermokapillaren Konvektion ist in Abbildung 1 (rechts) dargestellt. Diese Studie konzentrierte sich auf die Instabilität von Strömung, Schwingungsphänomenen und Übergängen, die wichtige Merkmale im Übergangsprozess vom laminaren Fluss zum Chaos sind. Studien zu diesen grundlegenden Themen haben eine große Bedeutung für die Forschung über starke nichtlineare Strömung.
Im Gegensatz zur Auftriebskonvektion, die durch Volumenkraft angetrieben wird, ist die thermokapillare Konvektion ein Phänomen, das durch Oberflächenspannung innerhalb der Schnittstelle zwischen zwei nicht mischbaren Flüssigkeiten verursacht wird. Die Größe der Oberflächenspannung ändert sich mit einigen skalaren Parametern, einschließlich Temperatur, gelöster Konzentration und elektrischer Feldstärke. Wenn sich diese Skalarfelder ungleichmäßig in der Schnittstelle verteilen, ist auf der freien Oberfläche ein Oberflächenspannungsgradient vorhanden. Die Flüssigkeit auf der freien Oberfläche wird durch den Oberflächenspannungsgradienten angetrieben, um sich von der Position mit geringerer Oberflächenspannung zu der Position mit größerer Oberflächenspannung zu bewegen. Dieser Fluss wurde zuerst von einem italienischen Physiker, Carlo Marangoni, interpretiert. Daher wurde es der "Marangoni-Effekt"1genannt. Marangoni-Fluss auf der freien Oberfläche erstreckt sich auf die innere Flüssigkeit durch Viskosität und als Ergebnis erzeugt, was als Marangoni Konvektion bekannt ist.
Streng genommen erscheinen für das Fluidsystem mit freier Oberfläche thermokapillare Konvektion und Auftriebskonvektion immer gleichzeitig unter normaler Schwerkraft. Im Allgemeinen ist die thermokapillare Konvektion bei einem makroskopischen konvektiven System eine geringfügige Wirkung und wird in der Regel im Vergleich zur Auftriebskonvektion ignoriert. Unter der Bedingung eines kleinen konvektiven Systems oder in der Umgebung der Schwerelosigkeit wird die Auftriebskonvektion jedoch stark geschwächt oder sogar verschwinden, und die thermokapillare Konvektion wird im Strömungssystem dominant werden. Seit langem konzentriert sich die Forschung auf die makroskalige Auftriebskonvektion aufgrund der Einschränkungen menschlicher Aktivitäten und Forschungsmethoden2,3,4. In den letzten Jahrzehnten, mit der rasanten Entwicklung moderner Wissenschaft und Technologie wie Luft- und Raumfahrt, Film, MEMS und nichtlinearer Wissenschaft, ist die Notwendigkeit weiterer Forschung entoronischer Konvektion immer dringlicher geworden.
Studien zur Mikrogravitationshydrodynamik haben eine wichtige akademische Bedeutung und Anwendungsperspektiven. Viele Dynamiker, Physikchemiker, Biologen und Materialwissenschaftler haben sich versammelt, um auf diesem Gebiet zu arbeiten. Kamotani und Ostrach schlossen Experimente zur thermokapillaren Konvektion in einem ringförmigen Flüssigkeitspool unter Mikrogravitationsbedingungen2,5,6,7,8 und beobachteten stetigen Fluss, Oszillatorfluss und kritische Bedingungen. Schwabe et al. untersuchten die lebhafte-thermokapillare Konvektion in einem ähnlichen ringförmigen Flüssigkeitspool3,9 und fanden heraus, dass der oszillierende Fluss zuerst als thermokapillare Wellen erschien und sich dann zu einem komplexeren Fluss mit dem Anstieg der Temperaturdifferenz wandte. Im Jahr 2002 berichteten Schwabe und Benz et al. über eine Gruppe von Experimenten zur thermokapillaren Konvektion in einem ringförmigen Flüssigkeitspool, die auf dem russischen FOTON-12-Satelliten4,10durchgeführt wurden. Ihre Weltraumexperimente stimmten mit den bodenexperimentellen Ergebnissen überein. Einige japanische Wissenschaftler führten drei Versuchsreihen zur thermokapillaren Konvektion von Flüssigkeitsbrücken, genannt Marangoni-Experiment im Weltraum (MEIS), auf der Internationalen Raumstation11,12,13durch. Einige experimentelle Geräte, einschließlich der Kamera, Wärmebildkamera, Thermoelementsensoren und 3D-PTV und photochrome Technologie, wurden in diesen drei Aufgaben eingesetzt. Die kritischen Bedingungen der thermokapillaren Konvektion bei unterschiedlichen Seitenverhältnissen wurden bestimmt und dreidimensionale (3D) Strömungsstrukturen beobachtet.
In den letzten 30 Jahren hat sich die Mikrogravitationswissenschaft in China einer fruchtbaren Entwicklung unterzogen14,15,16, und eine Reihe von Mikrogravitationsexperimenten wurden im Weltraum17,18durchgeführt. Im Bereich der Fluidphysik war das erste Mikrogravitationsexperiment die Untersuchung von zweischichtigem Fluid auf dem sJ-5-reproduzierbaren Satelliten im Jahr 1999, und die Strömungsstruktur wurde durch die Partikelverfolgungsmethode14erhalten. Im Jahr 2004 wurde die Studie über die thermokapillare Migration eines Tröpfchens an der SZ-4 durchgeführt, und die Beziehung zwischen Migrationsgeschwindigkeit und kritischer Mach (Ma)-Zahl wurde15,16erhalten. Im Jahr 2005 wurde die experimentelle Studie zur Multibubble-Thermokapillarmigration an der JB-417durchgeführt, und die Migrationsregeln wurden ermittelt, da die Ma-Zahl auf 8.000 erhöht wurde. In der Zwischenzeit wurden auch Probleme wie die Blasenverschmelzung untersucht. Im Jahr 2006 wurde die Studie über den Diffusionsmassentransfer auf dem sJ-8-reseduzierbaren Satelliten durchgeführt, das Mach-Zehnder Interferometer wurde erstmals im Weltraumexperiment eingesetzt, der Prozess der Diffusionsmassenübertragung wurde beobachtet und der Diffusionskoeffizient wurde18ausgewertet.
In den letzten Jahren wurden eine Reihe von experimentellen Bodenstudien durchgeführt, die sich auf Schwingungs- und Bifurkationsprozesse in der thermokapillaren Konvektion konzentrierten, und die gekoppelte Wirkung von Auftrieb und thermokapillarer Kraft wurde analysiert. Experimentelle Ergebnisse zeigen, dass der Auftriebseffekt bei Bodenexperimenten nicht ignoriert werden kann, da er in vielen Fällen eine dominierende Rolle spielt19,20,21,22. Im Jahr 2016 wurden zwei Mikrogravitationsexperimente durchgeführt, um die thermokapillare Konvektion in der flüssigen Brücke auf der TG-2 und die thermokapillare Konvektion im ringförmigen Flüssigkeitspool auf dem sJ-10-reagierbaren Satelliten23,24zu erforschen. Das vorliegende Papier stellt die experimentelle Nutzlast der thermokapillaren Konvektion auf dem SJ10 und die Ergebnisse des Weltraumexperiments vor. Diese Methoden werden bei der Erforschung des Mechanismus der thermokapillaren Oszillation hilfreich sein.
Um den konvektiven Musterübergang, die Temperaturschwingung und die flüssigkeitsfreie Oberflächenverformung zu beobachten, werden sechs Thermoelemente, eine Infrarot-Wärmebildkamera und ein Verschiebungssensor zur Quantifizierung der Frequenz, Amplitude und anderer physikalischer Größen der Schwingung verwendet wurden. Durch Untersuchungen zur Schwingung und über den Übergang in der thermokapillaren Konvektion im Weltraum kann der Mechanismus der thermokapillaren Konvektion in der Schwerelosigkeitsumgebung, der wissenschaftliche Hinweise für das Wachstum von Materialien im Weltraum bietet, entdeckt und verstanden werden. Darüber hinaus werden technologische Durchbrüche in solchen Weltraumexperimenten, wie die Techniken der Flüssigkeitsoberflächenwartung und der Flüssigkeitsinjektion ohne Blasen, die Einfachheit und das technische Niveau von Mikrogravitationsexperimenten in Flüssigkeiten weiter verbessern. Physik.
In diesem Beitrag werden die Nutzlastentwicklung und das Weltraumexperiment des thermokapillaren Oberflächenwellenprojekts vorgestellt, das auf dem wissenschaftlichen Experimentalsatelliten SJ-10 durchgeführt wurde. Als Nutzlast des Weltraumexperiments verfügt dieses thermokapillare Konvektionssystem über eine starke Vibrationsabwehrfähigkeit, um heftigen Schock zu verhindern, insbesondere während des Satellitenstartprozesses. Um den Anforderungen der Fernbedienung gerecht zu werden, wird der Weltraumexperimentprozess automatisch gesteuert, und die Weltraumexperimente können an die Bodensignalempfangsstation der Raumsonde und dann an die experimentellen Plattform.

<table><tbody><tr><td>Anti-Kriechflüssigkeit</td><td>3M</td><td>EGC-1700</td><td></td></tr><tr><td></td><td>CCD WATTEC</td><td>WAT-230VIVID</td><td></td></tr><tr><td>Wegsensor</td><td>Panasonic</td><td>HL-C1</td><td></td></tr><tr><td>Heizfolie</td><td>HongYu</td><td>125 Q/W335.1A</td><td></td></tr><tr><td>Hydraulikzylinder</td><td>FESTO</td><td>ADVU-40-25-P-A</td><td></td></tr><tr><td>Infrarotkamera</td><td>FLIR</td><td>Tau2</td><td></td></tr><tr><td>LED</td><td>693 Institut</td><td>10257MW7C</td><td></td></tr><tr><td>Montor</td><td>PI</td><td>M-227</td><td></td></tr><tr><td>Montor Controller</td><td>PI</td><td>C-863</td><td></td></tr><tr><td>Rohr, 4mm</td><td>FESTO</td><td>PUN-4X0,75-GE</td><td></td></tr><tr><td>Polysulfon Platte</td><td>507 Institut</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Kältechip</td><td>Zhongke</td><td>9502/065/021M</td><td></td></tr><tr><td>Silikonöl, 2cSt</td><td>Shin-Etsu</td><td>KF-96</td><td></td></tr><tr><td>Magnet</td><td>FESTO</td><td>MFH-2-M5</td><td></td></tr><tr><td>Temperaturregler</td><td>Eurotherm</td><td>3304</td><td></td></tr><tr><td>Thermoelement, K-Typ</td><td>Nord Universität von China</td><td>ZBDX-HTTK</td><td></td></tr></tbody></table>

thermokapillarkonvektionsraumexperiment auf dem sj-10 recoverable satellite

Thermocapillary Convection Space Experiment on the SJ-10 Recoverable Satellite

Die thermokapillare Konvektion ist ein wichtiges Forschungsthema in der Mikrogravitationsflüssigkeitsphysik. Die experimentelle Studie über Oberflächenwellen der thermokapillaren Konvektion in einem ringförmigen Flüssigkeitspool ist eines der 19 wissenschaftlichen Versuchsprojekte auf dem sJ-10-Satelliten. Präsentiert wird ein Entwurf für eine Nutzlast für weltraumexperimentelle Studien zur thermokapillaren Konvektion, die das experimentelle Modell, das Messsystem und das Steuerungssystem umfasst. Die Einzelheiten für den Bau eines Versuchsmodells eines ringförmigen Flüssigkeitspools mit variablen Volumenverhältnissen sind angegeben. Die Flüssigkeitstemperaturen werden von sechs Thermoelementen mit einer hohen Empfindlichkeit von 0,05 °C an verschiedenen Stellen aufgezeichnet. Die Temperaturverteilungen auf der flüssigkeitsfreien Oberfläche werden mit hilfe einer Infrarot-Wärmebildkamera erfasst. Die freie Oberflächenverformung wird von einem Verdrängungssensor mit einer hohen Genauigkeit von 1 m erfasst. Der experimentelle Prozess ist vollautomatisiert. Die Forschung konzentriert sich auf thermokapillare Schwingungsphänomene auf der flüssigkeitsfreien Oberfläche und konvektive Musterübergänge durch Analysen experimenteller Daten und Bilder. Diese Forschung wird hilfreich sein, um den Mechanismus der thermokapillaren Konvektion zu verstehen und weitere Einblicke in die nichtlinearen Eigenschaften, Strömungsinstabilität und Bifurkationsübergänge der thermokapillaren Konvektion zu bieten.

Das genaue Volumenverhältnis wurde definiert, und die Flüssigoberflächentopographie wurde auf der Grundlage der vom CCD aufgenommenen Bilder rekonstruiert. Der kritische Instabilitätszustand wurde bestimmt, und die Schwingungseigenschaften wurden durch Analysen an Einpunkttemperatursignalen und Verschiebungsschwingungssignalen untersucht. Die Struktur des Strömungsfeldes wurde ermittelt, und der Übergang des Strömungsmusters wurde durch die Änderung des Infrarotbildes mit der Zeit bestimm...

In diesem Beitrag werden ein Protokoll für die Raumnutzlastgestaltung, das Raumexperiment zur thermokapillaren Konvektion und Analysen experimenteller Daten und Bilder vorgestellt.

Thermokapillarkonvektionsraumexperiment auf dem SJ-10 Recoverable Satellite

Thermocapillary convection is an important research subject in microgravity fluid physics. The experimental study on surface waves of thermocapillary ...

Das Verständnis der Auswirkungen von Oszillation und Bifurkation in der thermokapillaren Konvektion ist wichtig für die Untersuchung eines starken nichtlinearen Flusses im Raum. Aufgrund begrenzter Platzressourcen und -bedingungen sollte die experimentelle Nutzlast klein, leicht und vibrationsfeindlich sein. Durchbrüche der Weltraumtechnologie, wie die Durchführung der Flüssigkeitsoberflächenwartung und die Flüssigkeitsinjektion ohne Blasen, können die technische Kapazität von Mikrogravitationsexperimenten in der Fluidphysik weiter verbessern.Um den Konvektionsübergang, die Temperaturschwingung und die Oberflächenverformung einer Flüssigkeit zu beobachten, müssen Thermoelemente, eine Infrarot-Wärmebildkamera und ein Verdrängungssensor verwendet werden. Demonstriert wird das Verfahren von Wang Jia, Wu Di und Hu Liang, Technikern aus meinem Labor. Beginnen Sie mit dem Bau eines kupfernularen Flüssigkeitsbeckens mit einem Innenradius von vier Millimetern Durchmesser und einem Außenradius von 20 Millimetern Durchmesser und einer Höhe von 12 Millimetern.Verwenden Sie eine Polysulfonplatte mit einem Durchmesser von 20 Millimetern als Boden des Flüssigkeitspools, und bohren Sie ein kleines Loch mit zwei Millimetern Durchmesser sechs Millimeter von der Mitte der Platte als flüssiges Injektionsloch entfernt. Fügen Sie scharfe, 45-Grad-Winkel-Ecken an der inneren und äußeren Seitenwände, und wenden Sie Anti-Creeping-Flüssigkeit auf die Innen-und Außenwände auf eine Höhe von mehr als 12 Millimeter. Als Nächstes wählen Sie ein geeignetes niedrigviskoses Silikonöl als Arbeitsflüssigkeit und erhitzen Sie die Flüssigkeit auf 60 Grad Celsius.Um ein Gas aus dem Öl zu entladen, wenden Sie weniger als 150 Pascal Druck für sechs Stunden, gefolgt von Staubsauger des Flüssigkeitsspeichersystems, bis der Druck knapp unter 200 Pascal erreicht. Dann entlasten Sie das Ventil, damit das Silikonöl den vakuumierten Zylinder ohne Gas füllen kann. Um das Einspritzsystem für die Arbeitsflüssigkeit einzurichten, wählen Sie einen Schrittmotor, um die Einspritzung und Absaugung der Flüssigkeit anzutreiben, und wenden Sie ein Magnetventil an, um den Ein-/Ausschalter des Einspritzsystems zu steuern.Verwenden Sie eine Universalverbindung, um den Schrittmotor mit dem Flüssigkeitszylinder zu verbinden, und verwenden Sie ein Rohr mit vier Millimetern Außendurchmesser, um den Flüssigkeitszylinder, das Magnetventil und die Einspritzbohrung sukzessive zu verbinden. Um das Messsystem einzurichten, platzieren Sie sechs Thermoelemente im Flüssigkeitsbecken, um die Temperaturen an verschiedenen Punkten zu messen, wie in der Abbildung dargestellt. Platzieren Sie eine Infrarotkamera direkt über der flüssigen Oberfläche, und drehen Sie das Objektiv, um den Fokus einzustellen und die Temperaturfeldinformationen auf der flüssigkeitsfreien Oberfläche zu sammeln.Passen Sie den Verschiebungssensor an, um die Verschiebung eines bestimmten Sehenswürdigkeiten auf der flüssigen Oberfläche zu messen, und verwenden Sie die CCD-Kamera, um sich auf die flüssige Oberfläche zu konzentrieren. Zeichnen Sie dann die Änderung der freien Oberfläche auf. Um das Experiment zu starten, starten Sie die Experimentsteuerungssoftware, und schalten Sie die Ein-/Aus-Taste ein.Um die Flüssigkeitsinjektion durchzuführen, wenden Sie 12 Volt auf das Magnetventil an, um das Ventil zu öffnen. Schalten Sie als Nächstes die Motortaste ein, um den Motor mit einem Schritt von 2,059 Millimetern zu starten, um 10, 305 Milliliter Silikonöl in den Flüssigkeitspool zu injizieren. Wenn das gesamte Öl geliefert wurde, schalten Sie die Magnetventilleistung aus, um das Magnetventil zu schließen.Um eine lineare Erwärmung durchzuführen, legen Sie die Heizzieltemperatur auf 50 Grad Celsius, die Kühlzieltemperatur auf 15 Grad Celsius und die Heizrate auf 0,5 Grad Celsius pro Minute fest. Für die Datenerfassung stellen Sie die Abtastfrequenz des Infrarot-Imagers auf 7,5 Hertz, die Thermoelementfrequenz und den Verschiebungssensor auf 20 Hertz und die CCD-Frequenz auf 24 Hertz ein. Wenn alle Parameter festgelegt sind, klicken Sie auf die Schaltfläche Datenerfassungssystem, und überwachen Sie die Temperatur, Verschiebung und andere Informationen, die für die Computersoftware von Interesse sind.Schalten Sie am Ende der Analyse die Stromversorgung aus. Diese experimentellen Modell- und Messmethoden wurden in diese Nutzlast auf dem SJ-10-Satelliten integriert. 23 Mikrogravitationsexperimente zur thermokapillaren Konvektion der Oberflächenwelle sind abgeschlossen.In diesen Infrarot-Thermobildern der Temperaturverteilungen auf einer flüssigkeitsfreien Oberfläche in thermokapillarer Konvektion können eine Vielzahl von oszillatonigen Strömungsmustern beobachtet werden, einschließlich radialer Schwingungen und im Uhrzeigersinn und umlaufenden Umlaufdrehungen. In diesem repräsentativen Experiment stiegen die Temperaturen im Inneren der Flüssigkeit linear mit dem Temperaturunterschied, wobei das Temperaturfeld periodisch schwankte, sobald der Temperaturunterschied einen bestimmten Schwellenwert überschritt, was darauf hindeutet, dass sich die thermokapillare Konvektion von einem stabilen Zustand zu einem oszillierenden Zustand entwickelt hat. Darüber hinaus wuchs die Amplitude der Oszillationstemperatur, als sich das Strömungsfeld entwickelte, wie in dieser Spektrumanalyse angegeben, was zeigt, dass die kritische Schwingungsfrequenz 0,064 Hertz betrug.Obwohl die Auftriebskonvektion des kleinräumigen Bodensystems geschwächt war, war der Fluss immer noch eine Kopplung von thermokapillaren und auftriebsförmigen Konvektionen, wobei unterschiedliche Ergebnisse in Weltraumexperimenten beobachtet wurden, verglichen die Ergebnisse, die in Bodenexperimenten erzielt wurden. Durch den Vergleich einer großen Anzahl von Verformungsdaten für die flüssigkeitsfreie Oberfläche, die vom Verdrängungssensor gemessen wird, und den Temperaturdaten der Flüssigkeit, die von den Thermoelementen gemessen werden, wurde auch beobachtet, dass die Oberflächenverformung und das Temperaturfeld in der Flüssigkeit gleichzeitig und mit der gleichen Frequenz zu oszillieren begannen. Diese beiden Schlüsseltechnologien, die Aufrechterhaltung einer flüssigen Oberfläche und die Injektion von Flüssigkeiten ohne Blasenbildung, spielen eine wesentliche Rolle in der Experimentraumforschung.Wir hoffen, dass die vorliegende Arbeit eine wissenschaftliche Grundlage und technische Unterstützung für Zuschauer bieten kann, die daran interessiert sind, diese Techniken zu versuchen.

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Research

Forschung

JoVE Journal

Engineering

Ingenieurwesen

Oberflächenerneuerung ist eine mikrometeorologische Methode, die zunehmend zur Bestimmung von Energieflüssen eingesetzt wird, aber aufgrund ihrer technischen Komplexität für ein breites Publikum unzugänglich ist. Wir beschreiben die Schritte, die erforderlich sind, um eine Feldstation für die Oberflächenerneuerung einzurichten und zu kalibrieren, Daten zu erfassen und zu verarbeiten und die Ergebnisse richtig zu interpretieren.

Oberflächen Erneuerung: Ein Advanced Mikrometeorologische Verfahren zur Messung und Verarbeitung Feld Skala Energieflussdichte Daten

Ein Protokoll für die Konstruktion und den Bau eines Bodentank angeschlossen, um einen kleinen klimatisierten Windkanal, um die Auswirkungen der atmosphärischen Antriebe beim Verdampfen studieren wird vorgestellt. Sowohl die Bodentanks und Windkanal sind mit Sensor-Technologien für die kontinuierliche in situ-Messung von Umweltbedingungen instrumentiert.

Ausflüge in die Auswirkungen der Luft Antriebe auf Verdunstung: Experimental Integration der atmosphärischen Grenzschicht und oberflächennahen Untergrundes

Zinnsulfid (SnS) ist ein Kandidatenmaterial für erdreichliche, ungiftige Solarzellen. Hier demonstrieren wir das Herstellungsverfahren der SnS-Solarzellen unter Verwendung der Atomlagenabscheidung, die einen zertifizierten Wirkungsgrad von 4,36 % ergibt, und der thermischen Verdampfung, die 3,88 % ergibt.

Erstellen Rekordeffizienz SnS Solarzellen durch thermische Verdampfung und Atomic Layer Deposition

Die Entwicklung neuer ablativer Materialien und deren numerische Modellierung erfordert umfangreiche experimentelle Untersuchungen. Dieses Protokoll beschreibt Verfahren zur Charakterisierung der Materialantwort in Plasmaströmungen, wobei die Kerntechniken nicht-intrusive Methoden sind, um die Materialrezession zusammen mit der Chemie in der reaktiven Grenzschicht durch Emissionsspektroskopie zu verfolgen.

Emissionsspektroskopische Grenzschichtuntersuchung während ablative Materialprüfung in Plasmatron

Mit Solarenergie als treibende Kraft hat eine neuartige Adsorption Kälteanlage entwickelt und experimentell untersucht worden. Wasserdampf und Zeolith bildeten das paar Arbeiten des Systems der Adsorption. Dieses Manuskript beschreibt den Aufbau der experimentellen Rig, die Vorgehensweise und die wichtigen Ergebnisse.

Experimentelles System Solar Adsorption Kühlung mit konzentrierter Sammler

Die Kinetik des Kühlprozesses definiert die Eigenschaften von ionischen Gele basierend auf niedrigem Molekulargewicht Gelatoren. Dieses Manuskript beschreibt die Verwendung des thermischen Scan Conductometry (TSC), die volle Kontrolle über die Gelierung Prozess zusammen mit in Situ Messungen die Proben-Temperatur und Leitfähigkeit erhält.

Thermische Conductometry (TSC) scannen, als eine allgemeine Methode für die Untersuchung und Kontrolle das Phasenverhalten von leitfähigen körperlichen Gele

Die effiziente Solar-Wasserstoff-Produktion wurde kürzlich auf funktionalisierten Halbleiter-Elektrokatalysator-Systemen in einer photoelektrochemischen Halbzelle in der Schwerelosigkeit am Bremer Drop Tower realisiert. Hier berichten wir über die experimentellen Verfahren zur Herstellung des Halbleiter-Elektrokatalysator-Geräts, Details des Versuchsaufbaus in der Tropfenkapsel und die experimentelle Sequenz im freien Fall.

Experimentelle Methoden zur effizienten Solarhydrogenproduktion in der Mikrogravitationsumgebung

Das Ziel dieses Protokolls ist es, simulierte hydrothermale Schornsteine durch chemische Garteninjektionsexperimente zu bilden und einen thermischen Gradienten über die anorganische Niederschlagsmembran einzuführen, wobei ein 3D-druckbarer Kondensator verwendet wird, der für Bildungszwecke reproduziert werden kann.

Simulation von hydrothermalen Schornsteinen der frühen Erde in einer Umgebung mit thermischem Gradienten

CdSe-SnSe-Nanokomposite werden durch Konsolidierung von oberflächentechnisch hergestellten SnSe-Partikeln hergestellt. Eine einfache wässrige Synthese wird zur Herstellung von SnSe-Partikeln eingesetzt. Die Beschichtung von SnSe-Partikeln mit CdSe-Molekülkomplexen ermöglicht die Kontrolle der Korngröße und die Erhöhung der Anzahl der im Nanokomposit vorhandenen Defekte, wodurch die Wärmeleitfähigkeit verringert wird.

Lösungsprozessiertes, oberflächentechnisch hergestelltes, polykristallines CdSe-SnSe mit geringer Wärmeleitfähigkeit

Beschrieben wird ein Verfahren zum dauerhaften Verkleben von zwei Siliziumwafern, um ein einheitliches Gehäuse zu realisieren. Dazu gehören Wafervorbereitung, Reinigung, RT-Bindung und Glühprozesse. Die resultierenden gebundenen Wafer (Zellen) haben eine Gleichmäßigkeit des Gehäuses von 1%1,2. Die resultierende Geometrie ermöglicht Messungen von geschlossenen Flüssigkeiten und Gasen.

Herstellung von uniformen Nanoschuppen-Cavities über Silicon Direct Wafer Bonding

Erfahren Sie, wie Thermokapillarkonvektion in der Mikrogravitation untersucht wird. Diese Methode nutzt Thermoelemente und Infrarotkameras zur Analyse von Temperaturoszillationen und Oberflächendeformationen in Flüssigkeiten.

Thermokapillarkonvektionsraumexperiment auf dem SJ-10 Recoverable Satellite

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