Name: ניסוי בחלל החום התרמונימי על לווין ההשבה של SJ-10 (וידאו) | JoVE Journal
Uploaded: 2020-03-11T12:00:00.000+00:00
Duration: 7 min
Description: חקור זרימה תרמית בחלל באמצעות ניסוי תרמוקפילרי בלווין SJ-10. למד שיטות מדידה עם מצלמות תרמיות וחיישני תזוזה לניתוח התנהגות נוזלים במיקרוגרביטציה.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

ישנם משתתפים רבים שתרמו לעבודה שדווחה במאמר זה, כולל כל חברי צוות הפרויקט שלנו, כמו גם כמה אנשים ממרכז המחקר וההדרכה של האסטרונאוטים (ACC) ו-ניקל.
עבודה זו ממומנת על ידי תוכנית מחקר עדיפות אסטרטגית על מדעי החלל, האקדמיה הסינית למדעים: SJ-10 ההשבה ניסוי מדעי לווין (גרנט לא. XDA04020405 ו-XDA04020202-05), ועל ידי הקרן המשותפת של הקרן הלאומית למדעי הטבע של סין (U1738116).

1. עיצוב והכנת המערכת הניסיונית
<ol><li>בנו את בריכת הנוזלים הטבעתי.<ol>
<li>לבנות בריכה נוזלית מנחושת טבעתי מדידה ri = 4 מ"מ בקוטר הפנימי ro = 20 מ"מ בקוטר החיצוני d = 12 מ"מ בגובה.</li>
		<li>השתמש בצלחת פוליסולפון מדידת RP = 20 מ"מ בקוטר התחתון של הבריכה הנוזלית (ראה טבלת חומרים).</li>
		<li>מקדחה חור קטן מדידת φ = 2 מ"מ בקוטר קרוב לקיר הפנימי (6 מ"מ הרחק ממרכז המעגל) כמו חור הזרקת נוזל.</li>
	</ol>
</li>
	<li>. שמור על הממשק<ol>
<li>הוסיפו פינות חדות (זוויות 45 °) על קירות הצד הפנימי והחיצוני (איור 2).</li>
		<li>החלת הנוזל נגד זוחל21 (ראה טבלת חומרים) לקירות הפנימיים והחיצוניים לגובה גדול מ-12 מ"מ.</li>
	</ol>
</li>
	<li>הכן את מערכת האחסון של נוזל העבודה.<ol>
<li>בחרו בשמן הסיליקון השני בתור נוזל העבודה (ראו טבלת חומרים).</li>
		<li>השתמשו בצילינדר הידראולי כמיכל לאחסון שמן הסיליקון (ראו טבלת חומרים).</li>
		<li>הכנס את נוזל העבודה לצילינדר הידראולי באמצעות הטכניקה ללא בועה לפני ההשקה. הערה: בועות שהושעו בנוזל העבודה יגרמו לכישלון הניסוי.<ol>
<li>פרוק את הגז בשמן הסיליקון על-ידי חימום הנוזל ל-60 ° c והפעלת לחץ < 150 Pa במשך כ-6 שעות.</li>
			<li>ואקום מערכת אחסון נוזלי עד הלחץ שלה הוא < 200 Pa.</li>
			<li>להקל על השסתום כדי לאפשר את שמן הסיליקון למלא את גליל שאבק ללא גז (איור 3).</li>
		</ol>
</li>
	</ol>
</li>
	<li>הגדר את מערכת ההזרקה עבור הנוזל הפועל.<ol>
<li>בחר מנוע צעד לכונן את הזריקה או יניקה של נוזל (ראה טבלת חומרים).</li>
		<li>החלת שסתום חשמלי כדי לשלוט במתג ביטול של מערכת ההזרקה (ראה טבלת חומרים).</li>
		<li>חבר את המנוע המדרגה לצילינדר הנוזלי באמצעות מפרק אוניברסלי (איור 4).</li>
		<li>לחבר את גליל נוזלי, שסתום חשמלי, וחור הזרקה ברציפות עם צינור מדידה 4 מ"מ בקוטר החיצוני.</li>
	</ol>
</li>
</ol>2. הקמת מערכת בקרת טמפרטורה
<ol><li>להטביע את הצילינדר הפנימי עם סרט חימום (התנגדות Rt = 14.4 ± 0.5 Ω) ולמדוד את הטמפרטורה ti עם זוג מסוג-K (ראה טבלת חומרים).</li>
	<li>באופן סימטרי לצרף שישה שבבי קירור (כל שני שבבים מחוברים במקביל כקבוצה, ושלוש קבוצות מחוברים בסדרה) לקיר החיצוני ולהשיג את טמפרטורת הקיר החיצוני To באמצעות זוג נוסף K-סוג התרמוגרפים. הערה: ההבדל בטמפרטורה הוא ΔT = ti - to.</li>
</ol>3. הקמת מערכת המדידה
הערה: ניתן לשלוט בכל ההתקנים באמצעות תוכנה.
<ol><li>מניחים שישה זוגות תרמיים (t1 - T6) בתוך המאגר הנוזלי כדי למדוד טמפרטורות בנקודות שונות. הפריסה המפורטת מוצגת באיור 5.</li>
	<li>מניחים את מצלמת האינפרא-אדום ישירות מעל פני השטח הנוזלי, ומסובבים את העדשה כדי לכוונן את הפוקוס ואוספים את מידע שדה הטמפרטורה במשטח נטול הנוזלים (ראו טבלת חומרים).</li>
	<li>התאימו את חיישן התזוזה כדי למדוד את העקירה של נקודה מסוימת (r = 12 מ"מ) על פני השטח הנוזלי (ראו טבלת חומרים). הערה: חיישן העקירה בלייזר משמש עבור מטען זה כדי להגשים את 100 μs במהירות גבוהה לדגימה, שהיא שיטת מדידה בדיוק גבוהה במיוחד עם רזולוציה של 1 μm, ו יניאריות של ± 0.1% F.S.</li>
	<li>השתמש מצלמת CCD להתמקד על משטח נוזלי ולהקליט את השינוי של משטח חופשי (ראה טבלת חומרים, איור 6). הערה: מספר הפיקסלים האפקטיביים הוא 752 x 582, והתאורה המינימלית היא 1.6 Lux/F 2.0.</li>
</ol>4. תהליך ניסיוני
<ol><li>הפעל את תוכנת בקרת הניסוי והפעל את לחצן ההפעלה.</li>
	<li>בצע את הזרקת הנוזל.<ol>
<li>החלה 12 וולט על. ברז החשמלי כדי לפתוח אותו</li>
		<li>הפעל את כפתור המנוע כדי לדחוף את האופנוע בשלב של 2.059 מ"מ ולהזריק 10,305 mL של שמן סיליקון לתוך הבריכה הנוזלית.</li>
		<li>כבו את כוח הברז החשמלי. כדי לסגור את הברז החשמלי</li>
	</ol>
</li>
	<li>ביצוע חימום ליניארי.<ol>
<li>הגדר את התנאים הניסיוניים כדלקמן: טמפרטורת היעד חימום Ti = 50 ° c; טמפרטורת היעד קירור To = 15 ° צ'; ושיעור חימום = 0.5 ° צ'/מינימום.</li>
	</ol>
</li>
	<li>איסוף נתונים.<ol>
<li>הגדר את תדרי הדגימה המתאימים של האנג'ר אינפרא-אדום, זוגות תרמיים, חיישן הזחה ו-CCD ל-7.5 Hz, 20 Hz, 20 Hz ו -25 הרץ בהתאמה.</li>
		<li>לחץ על הלחצן עבור מערכת איסוף הנתונים ונטר את הטמפרטורה, ההזחה ומידע נוסף באמצעות תוכנת המחשב (איור 7).</li>
	</ol>
</li>
	<li>. כבה את לחצן ההפעלה הערה: המתן כ-1 עד שהטמפרטורות של הקצוות החמים והקרים שווים לטמפרטורת הסביבה לניסוי הבא.</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>

. אין לנו מה לגלות

בשל המגבלה של משאבי שטח, הנפח של הציוד כולו הוא רק 400 mm × 352 mm × 322 mm, עם משקל רק 22.9 ± 0.2 ק"ג. זה מאוד לא נוח בעת בחירה והנחת מכשירים ניסיוניים, והקמת מערכת הזרימה הופכת לשלב הקריטי. לפיכך, הבדלי הטמפרטורות הגדלים מוגדרים בשני קצוות המאגר הנוזלי, כך שהנוזל יכול ליצור סדרה של תופעות זרימה. כדי להתבונן בתהליך כולו של הסעה מתמדת לתנודות בניסוי אחד, השמן הסיליקון השני נבחר כנוזל העבודה בשל השקיפות והפרמטרים הפיזיים המתאימים. בנוסף, בגלל המתח פני השטח, המשטח הנוזלי מעוקל. נקודת התצפית של חיישן העקירה צריכה להיות במרכ...

בתנאים מיקרו כבידה בחלל, תופעות פיזיות מעניינות רבות מוצגות בשל היעדר כוח הכבידה. בנוזל עם משטח חופשי, קיימת מערכת זרימה חדשה (כלומר זרימה תרמוקפילר) הנגרמת על ידי הטמפרטורה הדרגתי או ריכוז הדרגתי. שונה הסעה מסורתית על הקרקע, הסעה תרמוקפילר היא תופעה בכל מקום בסביבות החלל. כפי שהוא נושא מחקר חשוב מאוד בפיסיקה נוזל הכבידה microgravity מספר ניסויים נעשו בחלל, כמו גם על הקרקע. לאחרונה, מחקרים ניסיוניים שטח בוצעו על הסעה תרמו קפילר על הלווין SJ-10 ניסוי מדעי ההשבה. המשימה שטח הניסוי כללה שמונה מערכות, כלומר מערכת ניסוי נוזלים, אחסון נוזלי ומערכת הזרקה, מערכת בקרת טמפרטורה, מערכת מדידה תרמותרמיים, אינפרא אדום תרמית מצלמה, חיישני תזוזה, מערכת רכישת תמונה CCD, מערכת בקרת חשמל, כפי שמוצג באיור 1 (משמאל). מנת השטח של הניסוי למחקר על גלי פני השטח של הסעה תרמוקפילר מוצג באיור 1 (מימין). מחקר זה התמקד בחוסר היציבות של הזרימה, תופעת התנודות והמעברים, שהם מאפיינים חשובים בתהליך המעבר מזרימה מבינשכבתית ועד תוהו ובוהו. למחקרים על נושאים בסיסיים אלה יש חשיבות רבה למחקר בנוגע לזרימה חזקה לינארית.
שלא כמו הסעה לציפה המונעת על ידי כוח הנפח, הסעה תרמוקפילר היא תופעה הנגרמת על ידי מתח פני השטח בתוך הממשק בין שני נוזלים immiscible. הגודל של מתח פני השטח משתנה עם פרמטרים סקלריים, כולל טמפרטורה, ריכוז מסיסות וחוזק שדה חשמלי. כאשר שדות סקלריים אלה מפיצים באופן שווה בממשק, תהיה מעבר הדרגתי של מתח פני השטח על פני השטח החופשי. הנוזל על פני השטח החופשי מונע על ידי מעבר מתח הדרגתי כדי לעבור מהמיקום עם מתח משטח נמוך יותר עם מתח פני שטח גדול יותר. זרם זה התפרש לראשונה על ידי פיזיקאי איטלקי, קרלו מאראנגוני. מכאן, הוא נקרא "אפקט מראנגוני"1. זרימת marangoni על משטח חופשי משתרע על הנוזל הפנימי על ידי צמיגות וכתוצאה מכך מייצר את מה שמכונה הסעה Marangoni.
באופן מדויק, עבור מערכת הנוזלים עם משטח חופשי, הסעה תרמו קפילר והסעה ציפה תמיד מופיעים בו זמנית תחת כבידה נורמלית. באופן כללי, עבור מערכת הקמיסקופיות המקרו, הסעה תרמוקפילר היא השפעה משנית והיא מתעלמת בדרך כלל בהשוואה להסעת ציפה. עם זאת, במצב של מערכת הקמיג'מיות הקטנה או בסביבה המיקרוכבידה, הסעה לציפה תהיה חלשה מאוד, או אפילו תיעלם, והסעה תרמוקפילר תהיה דומיננטית במערכת הזרימה. במשך תקופה ארוכה, המחקר התמקד הסעה בקנה מידה מאקרו הציפה בשל המגבלות של פעילות האדם ושיטות מחקר2,3,4. עם זאת, בעשורים האחרונים, עם התפתחות מהירה של המדע המודרני וטכנולוגיה כגון אווירונאוטיקה, קולנוע, MEMS, ומדע לא לינארית, הצורך במחקר נוסף על הסעה התרמוקפילר הפך דחוף יותר ויותר.
ללימודים בנושא הידרודינמיקה המיקרוגרוטציה יש משמעות אקדמאית חשובה והזדמנויות ליישום. הרבה מדענים, כימאים פיזיים, ביולוגים ומדעני חומרים התאספו לעבודה בתחום זה. קמיטני ואוסטרץ ' השלימו ניסויים על הסעה תרמוקפילר במאגר נוזלי טבעתי תחת תנאים2מיקרו-כבידה 2,5,6,7,8 ונצפתה זרימה יציבה, זרימה מנדנוד, ותנאים קריטיים. Schwabe ואח ' למד הסעה קליל-התרמוקפילר בתוך בריכה בעלת טבעתי דומה3,9 ומצא כי זרם הנדנוד הופיע לראשונה כגלי חום, ולאחר מכן פנה לזרימה מורכבת יותר עם העלייה בהפרש הטמפרטורות. בשנת 2002, שוואבה ובנץ ואח ' דיווחו על קבוצת ניסויים על הסעה תרמוקפילר במאגר נוזלי טבעתי שנערך על הלווין הרוסי בפולי-12.,10 התוצאות הנסיוניות שלהם היו. עקביות בתוצאות הניסוי הקרקע כמה מדענים יפניים ביצעו שלוש סדרות של ניסויים על גשר נוזלי הסעה תרמוקפילר, בשם הניסוי marangoni בחלל (מייס), על תחנת החלל הבינלאומית11,12,13. כמה ציוד ניסיוני, כולל המצלמה, imager תרמי, חיישנים הצמד, ו 3D-PTV ו photochromic הטכנולוגיה, הוחלו בשלוש אלה משימות. התנאים הקריטיים של הסעה התרמוקפילר ביחס גובה-רוחב שונים נקבעו, ומבני זרימה תלת-ממדיים נצפו.
במהלך 30 השנים האחרונות, מדעי המיקרו-כבידה עברה פיתוח פורה בסין14,15,16, ומספר ניסויים מיקרו כבידה נערכו בחלל17,18. בתחום של פיזיקה נוזלים, הניסוי המיקרו כבידה הראשון היה המחקר של נוזל שתי שכבות על הלווין SJ-5 ההשבה ב 1999, ואת מבנה הזרימה הושגה על ידי שיטת מעקב חלקיקים14. בשנת 2004, המחקר על הגירה התרמוקפילר של droplet בוצע על SZ-4, ואת הקשר בין מהירות הגירה ו-Mach מספר קריטי (Ma) התקבל15,16. בשנת 2005, המחקר הניסיוני על הגירה מרובת בועות תרמוקפילר בוצע על JB-417, ואת כללי ההגירה הושגו כמו מספר Ma הוגדלה כדי 8,000. בינתיים, בעיות כמו מיזוג בועה נחקרו גם. בשנת 2006, המחקר על העברת המסה הפצת הדיפוזיה בוצעה על הלווין ההשבה SJ-8, האינטרלומטר של מאך-Zeder הוחל לראשונה בניסוי החלל, תהליך העברת הפצת הדיפוזיה נצפתה, ומקדם הדיפוזיה הוערך18.
בשנים האחרונות התמקדו בסדרה של מחקרים ניסיוניים ממוקדים בתנודות ובתהליכי היקיונים בתוך הסעה תרמו-קפילר, ובוצעו ביחד השפעה של כוח הציפה והתרמוקפילר. התוצאות הנסיוניות מראות כי לא ניתן להתעלם מאפקט הציפה בניסויים בקרקע, שכן הוא ממלא תפקיד דומיננטי במקרים רבים19,20,21,22. בשנת 2016, שני ניסויים מיקרוגרביטציה בוצעו כדי לחקור הסעה תרמוקפילר בגשר הנוזלי על TG-2, ו הסעה תרמו קפילר בבריכה הנוזלית טבעתי על לווין ההשבה SJ-1023,24. העיתון הנוכחי מציג את המטען הניסיוני של הסעה תרמו-קפילר בSJ10, ותוצאות ניסוי החלל. שיטות אלה יהיו מועילות לחקור את מנגנון תנודה התרמוקפיציה.
כדי להתבונן בשינוי הצורה, בתנודות הטמפרטורה ובמשטח הנוזלים הנוזלי, שישה זוגות תרמיים, מצלמה תרמית אינפרא-אדום, וחיישן תזוזה לכמת את התדר, השרעת והכמויות הפיזיות האחרות של התנודות שימשו. באמצעות חקירות על תנודות ומעבר בהחדרה של התרמוקפילר בחלל, מנגנון הסעה התרמונימי בסביבה המיקרוגרוטציה, המספקת הדרכה מדעית לצמיחת חומרים בחלל, יכולה להיות תגלה והובן. יתר על כן, פריצות דרך טכנולוגיים בניסויים בחלל כגון, כגון טכניקות תחזוקה של פני שטח נוזלי והזרקת נוזלים ללא בועות, יהיה לשפר עוד יותר את הפשטות והרמה הטכנית של ניסויים מיקרו-כבידה בנוזל פיזיקה.
מאמר זה מציג את הפיתוח של המטען ואת ניסוי החלל של פרויקט גל המשטח התרמונימי שבוצעו על לווין הניסוי של SJ-10 מדעי. בתור התנסות בחלל, מערכת זו הסעה תרמוקפילר יש יכולת אנטי רטט חזק כדי למנוע הלם אלים, במיוחד במהלך תהליך השיגור לווין. על מנת לעמוד בדרישות של פעולה מרוחקת, תהליך הניסוי בחלל נשלט באופן אוטומטי, ואת הנתונים הניסיוניים שטח ניתן לשדר לתחנת הקליטה אות הקרקע של החללית ולאחר מכן לניסויים של המדענים פלטפורמה.

<table><tbody><tr><td>נוזל נגד זחילה</td><td>3M</td><td>EGC-1700</td><td></td></tr><tr><td>CCD</td><td>WATTEC</td><td>WAT-230VIVID</td><td></td></tr><tr><td>חיישן תזוזה</td><td>Panasonic</td><td>HL-C1</td><td></td></tr><tr><td>סרט חימום</td><td>HongYu</td><td>125 Q/W335.1A</td><td></td></tr><tr><td>צילינדר הידראולי</td><td>FESTO</td><td>ADVU-40-25-P-A</td><td></td></tr><tr><td>מצלמת אינפרא אדום</td><td>FLIR</td><td>Tau2</td><td></td></tr><tr><td>LED</td><td>693 מכון</td><td>10257MW7C</td><td></td></tr><tr><td>מונטור</td><td>PI</td><td>M-227</td><td></td></tr><tr><td>בקר מונטור</td><td>PI</td><td>C-863</td><td></td></tr><tr><td>צינור, 4 מ"מ</td><td>FESTO</td><td>PUN-4X0,75-GE</td><td></td></tr><tr><td>צלחת פוליסולפון</td><td>507 שבב</td> קירור מכון <td></td><td></td></tr><tr><td></td><td>Zhongke</td><td>9502/065/021M</td><td></td></tr><tr><td>שמן סיליקון, 2cSt</td><td>Shin-Etsu</td><td>KF-96</td><td></td></tr><tr><td>סולנואיד</td><td>FESTO</td><td>MFH-2-M5</td><td></td></tr><tr><td>בקר טמפרטורה</td><td>Eurotherm</td><td>3304</td><td></td></tr><tr><td>צמד תרמי, K-type</td><td>צפון אוניברסיטת סין</td><td>ZBDX-HTTK</td><td></td></tr></tbody></table>

ניסוי בחלל החום התרמונימי על לווין ההשבה של sj-10

Thermocapillary Convection Space Experiment on the SJ-10 Recoverable Satellite

הסעה תרמו-קפילר היא נושא מחקרי חשוב בפיזיקת הנוזלים המיקרוגרוטציה. המחקר הניסיוני על פני השטח של הסעה תרמו קפילר בבריכה נוזל טבעתי הוא אחד 19 הפרויקטים ניסיוני מדעי על הלווין SJ-10 ההשבה. מוצג הוא עיצוב של מטען למחקר ניסיוני בחלל על הסעה התרמוקפילר הכולל את המודל הניסיוני, מערכת המדידה, מערכת בקרה. הפרטים על בניית מודל ניסיוני של בריכה נוזלית טבעתי עם יחס נפח משתנה מסופק. טמפרטורות הנוזלים נרשמות על ידי שישה זוגות תרמיים בעלי רגישות גבוהה של 0.05 ° c בנקודות שונות. הפצות הטמפרטורה על משטח הנוזלים הנוזלי נלכדים באמצעות מצלמה תרמית אינפרא-אדום. דפורמציה משטח חופשי מזוהה על ידי חיישן הזחה עם דיוק גבוה של 1 μm. התהליך הניסיוני הוא אוטומטי לחלוטין. המחקר מתמקד בתופעת תנודות התרמוקפיליות על פני השטח נטול הנוזלים ומעברי דפוס באמצעות ניתוח של נתונים ודימויים ניסיוניים. מחקר זה יהיה מועיל להבין את המנגנון של הסעה התרמו-קפילר ויציע תובנות נוספות למאפיינים לא ליניאריים, לאי-יציבות של זרימה ולמעברים באמצעות מעבר של הסעה תרמוקפילר.

יחס אמצעי האחסון המדויק הוגדר, והטופוגרפיה של פני השטח הנוזלי שוחזר על בסיס התמונות שנתפסו על ידי CCD. תנאי חוסר היציבות הקריטיים נקבע, ומאפייני התנודות נחקרו באמצעות ניתוח אותות בטמפרטורת נקודה אחת ואותות הזחה מנדנוד. מבנה שדה הזרימה הושג, והמעבר של תבנית הזרימה נקבע באמצעות שינוי תמונת האינפרא-אדום עם הזמן. מאפייני הזרימה, מנגנון הזרימה ומעבר הביוקטיון יכולים ללמוד גם באמצעות ניתוח מקיף על תוצאות נסיוניות מרובות.
תמונות תרמיות...

פרוטוקול לעיצוב החלל, ניסוי החלל על הסעה תרמוקפילר, וניתוחים של נתונים ניסיוניים ותמונות מוצגים בנייר זה.

ניסוי בחלל החום התרמונימי על לווין ההשבה של SJ-10

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

הבנת ההשפעות של תנודות ו bifurcation בהסעה תרמו-קפילרית חשוב לחקר זרימה לא ליניארית חזקה בחלל. בשל משאבים ותנאים מוגבלים בחלל, המטען הניסיוני צריך להיות קטן בגודלו, קל במשקלו, ובעל יכולות אנטי רטט. פריצות דרך בטכנולוגיית החלל, כגון ביצוע תחזוקת משטח נוזלי והזרקת נוזלים ללא בועות, יכולות לשפר עוד יותר את הקיבולת הטכנית של ניסויי מיקרו-כבידה בפיזיקת הנוזלים.התבוננות במעבר הסעה, תנודות טמפרטורה ועיוות פני השטח של נוזל דורשים שימוש בתרמוקופלס מצלמה תרמית אינפרא אדום, חיישן תזוזה. הדגמת ההליך תהיה וואנג ג'יה, וו די, והו ליאנג, טכנאים מהמעבדה שלי. התחל בבניית בריכת נוזלים אנתרית נחושת עם רדיוס פנימי של ארבעה מילימטרים קוטר רדיוס חיצוני של 20 מילימטרים קוטר וגובה של 12 מילימטרים.השתמש צלחת פוליסולפון בקוטר 20 מ"מ כמו החלק התחתון של הבריכה הנוזלית, לקדוח חור קטן, שני מילימטר קוטר שישה מילימטרים ממרכז הצלחת כמו חור הזרקת הנוזל. הוסיפו פינות חדות בזווית של 45 מעלות על הקירות הפנימיים והחוץ-צדדיים, והחלו נוזל אנטי-זוחל על הקירות הפנימיים והישירים לגובה הגדול מ-12 מילימטרים. לאחר מכן, בחר שמן סיליקון צמיגות נמוכה המתאים כמו נוזל העבודה, לחמם את הנוזל ל 60 מעלות צלזיוס.כדי לפרוק כל גז מהנפט, להחיל פחות מ 150 פסקלים של לחץ במשך שש שעות, ואחריו שאיבת אבק של מערכת אחסון נוזלי עד הלחץ מגיע רק מתחת 200 פסקלים. לאחר מכן, להקל על השסתום כדי לאפשר שמן סיליקון למלא את הצילינדר שאקום ללא גז. כדי להגדיר את מערכת ההזרקה עבור הנוזל העובד, בחר מנוע צעד כדי להניע את ההזרקה והניקה של נוזל, ולהחיל שסתום סולנואיד כדי לשלוט על מתג ההפעלה / כיבוי של מערכת ההזרקה.השתמש במפרק אוניברסלי כדי לחבר את מנוע הצעד אל הצילינדר הנוזלי, ולהשתמש בצינור בקוטר 4 מ"מ-חיצוני כדי לחבר ברציפות את הצילינדר הנוזלי, שסתום סולנואיד וחור ההזרקה. כדי להקים את מערכת המדידה, מניחים שישה תרמוקופלים בתוך הבריכה הנוזלית כדי למדוד את הטמפרטורות בנקודות שונות, כפי שמודגם באיור. מניחים מצלמת אינפרא אדום ישירות מעל פני השטח הנוזלי, ומסובבים את העדשה כדי להתאים את המוקד ולאסוף את מידע שדה הטמפרטורה על פני השטח נטולי הנוזלים.התאימו את חיישן התזוזה כדי למדוד את התזוזה של נקודת עניין מסוימת על פני השטח הנוזליים, ולהשתמש במצלמת CCD כדי להתמקד במשטח הנוזלי. לאחר מכן, רשום את השינוי של המשטח החופשי. כדי להתחיל בניסוי, הפעל את תוכנת בקרת הניסוי והפעיל את לחצן ההפעלה.כדי לבצע את הזרקת הנוזל, להחיל 12 וולט על שסתום סולנואיד כדי לפתוח את השסתום. לאחר מכן, הפעל את כפתור המנוע כדי להפעיל את המנוע בשלב של 2.059 מילימטרים כדי להזריק 10, 305 מיליליטר של שמן סיליקון לתוך הבריכה הנוזלית. כאשר כל השמן נמסר, לכבות את כוח שסתום סולנואיד לסגור את שסתום סולנואיד.כדי לבצע חימום ליניארי, הגדר את טמפרטורת יעד החימום ל-50 מעלות צלזיוס, את טמפרטורת יעד הקירור ל-15 מעלות צלזיוס ואת קצב החימום ל-0.5 מעלות צלזיוס לדקה. לאיסוף נתונים, הגדר את תדר הדגימה של דימוי האינפרא-אדום ל-7.5 הרץ, את תדר התרמוקופל ואת חיישן התזוזה ל-20 הרץ, ואת תדר ה-CCD ל-24 הרץ. לאחר הגדרת כל הפרמטרים, לחץ על לחצן המערכת לאיסוף נתונים ונטר את הטמפרטורה, התזוזה ומידע נוסף המעניין את תוכנת המחשב.בסוף הניתוח, כבה את החשמל. מודל ניסיוני אלה ושיטות מדידה שולבו במטען זה על הלוויין SJ-10. 23 ניסויי מיקרו-כבידה על הסעה תרמו-קלינית של גל פני השטח הסתיימו.בתמונות תרמיות אינפרא אדום אלה של התפלגות הטמפרטורה על משטח נטול נוזלים בהסבה תרמו-קפילארית, ניתן לראות מגוון דפוסי זרימה נדנוד, כולל תנודות רדיאליות וסיבובים היקפיים בכיוון השעון ונגד כיוון השעון. בניסוי מייצג זה, הטמפרטורות בתוך הנוזל עלו באופן ליניארי עם עליית הפרש הטמפרטורה, כאשר שדה הטמפרטורה משתנה מעת לעת לאחר שהפרש הטמפרטורה חרג מסף מסוים, מה שמצביע על כך שההסעה התרמו-קפילרית התפתחה ממדינה יציבה למצב נדנוד. בנוסף, משרעת הטמפרטורה הנדודה גדלה ככל שדה הזרימה התפתח, כפי שצוין בניתוח ספקטרום זה, מראה כי תדירות התנודות הקריטית הייתה 0.064 הרץ.למרות הסעה ציפה של מערכת הקרקע בקנה מידה קטן נחלש, הזרימה עדיין היה צימוד של הסעה תרמו-קבילה ציפה, עם תוצאות שונות שנצפו בתוצאות ניסוי החלל, לעומת תוצאות שהושגו בניסויים הקרקע. על ידי השוואת מספר רב של נתוני דפורמציה עבור פני השטח נטולי הנוזלים הנמדדים על ידי חיישן התזוזה ותנתי הטמפרטורה של הנוזל הנמדד על ידי תרמוקופלס, נצפתה גם כי עיוות פני השטח ושדה הטמפרטורה בנוזל החלו להתתנודות בו זמנית באותו תדר. שתי טכנולוגיות מפתח אלה, תחזוקה של משטח נוזלים והזרקת נוזלים ללא היווצרות בועה, ממלאים תפקידים חיוניים במחקר החלל הניסוי.אנו מקווים כי העבודה הנוכחית יכולה לספק בסיס מדעי ותמיכה טכנית לצופים המעוניינים לנסות טכניקות אלה.

thermocapillary-convection-space-experiment-on-sj-10-recoverable

Research

JoVE Journal

Engineering

הנדסה

חידוש פני השטח היא שיטה מיקרומטאורולוגית המשמשת יותר ויותר לקביעת שטפי אנרגיה, אך המורכבות הטכנית שלה הופכת אותה לבלתי נגישה לקהל רחב. אנו מתארים את השלבים הדרושים להקמה וכיול של תחנת שדה לחידוש פני השטח, לרכישה ועיבוד נתונים ולפירוש נכון של התוצאות.

חידוש פני השטח: שיטה מתקדם Micrometeorological למדידה ועיבוד שדה בקנה מידת אנרגיה שטף נתוני צפיפות

פרוטוקול לתכנון והבנייה של טנק אדמת ממשק למנהרת רוח אקלים מבוקר קטנה כדי לחקור את ההשפעות של forcings אטמוספרה באידוי מוצג. שני מיכל האדמה ומנהרת רוחם instrumented עם טכנולוגיות חיישן למדידה רציפה באתרו של תנאים סביבתיים.

היכרות האפקטים של האטמוספרה Forcings באידוי: שילוב ניסיוני של שכבת האטמוספרה הגבול ומתחת לפני קרקע רדודה

פח גופרתי (SnS) הוא חומר מועמד לתאים סולאריים שאינם רעילים בשפע בכדור הארץ. כאן, אנו מדגימים את הליך הייצור של התאים הסולאריים SnS המשתמשים בתצהיר שכבה אטומית, המניב יעילות המרת הספק מאושרת של 4.36%, ואידוי תרמי המניב 3.88%.

מה שהופך את התאים סולריים שיא יעילות SNS על ידי אידוי תרמי ואטומית שכבת הפקדת

פיתוח של חומרים אבלטיביים חדשים והמודלים המספריים שלהם דורש מחקר ניסיוני מקיף. פרוטוקול זה מתאר נהלים לאפיון תגובת חומר בזרימות פלזמה כאשר טכניקות הליבה הן שיטות לא פולשניות למעקב אחר נסיגת החומר יחד עם הכימיה בשכבת הגבול הריאקטיבית על ידי ספקטרוסקופיה של פליטה.

חקירת Layer פליטה ספקטרליים Boundary במהלך פולשני חומר בדיקה ב Plasmatron

עם אנרגיה סולארית ככוח המניע, מערכת קירור ספיחה הרומן פותחה, חקר השפעול. אדי מים ו זאוליט הקימו הזוג עבודה של מערכת ספיחה. כתב יד זה מתאר את הכיוונון של המתקן ניסיוני, ההליך מבצע את תוצאות חשובות.

מערכת ניסויית של ספיחה שמש קירור עם אספן מרוכז

קינטיקה של תהליך הקירור מגדירה את המאפיינים של מוצקים יוניים מבוסס על משקל מולקולרי נמוך gelators. כתב יד זה מתאר את השימוש conductometry סריקה תרמית (TSC), אשר מקבל שליטה מלאה על תהליך gelation, יחד עם המידות ב באתרו של הטמפרטורה של הדגימות, מוליכות.

סריקה Conductometry (TSC) כמו ג ' לים כללי שיטת לימוד ושליטה על ההתנהגות שלב גופניים מוליך תרמי

הפקה יעילה סולארית מימן התממשו לאחרונה על פונקציונליזציה מערכות מוליכים למחצה-electrocatalyst בחצי תא האלקטרוכימי בסביבה המיקרוגרוטציה במגדל ברמן Drop. כאן, אנו מדווחים על ההליכים הניסיוניים לייצור מכשיר מוליך למחצה-electrocatalyst, פרטים של הגדרת ניסיוני בקפסולה ירידה ואת הרצף ניסיוני בסתיו חופשי.

ניסיוני שיטות ייצור יעיל מימן סולארית בסביבה מיקרוגרביטציה

מטרת פרוטוקול זה היא ליצור ארובות הידרותרמיות מדומות באמצעות ניסויים בהזרקת גינה כימית ולהציג שיפוע תרמי על פני קרום המשקעים הלא אורגני, באמצעות מדחוס 3D להדפסה שניתן לשחזר למטרות חינוכיות.

סימולציה של ארובות הידרותרמיות מוקדמות בכדור הארץ בסביבה שיפועית תרמית

ננו-מרוכבים CdSe-SnSe מיוצרים על ידי איחוד חלקיקי SnSe מהונדסים על פני השטח. סינתזה מימית פשוטה משמשת לייצור חלקיקי SnSe. ציפוי חלקיקי SnSe בקומפלקסים מולקולריים CdSe מאפשר לשלוט בגודל הגרגר ולהגדיל את מספר הפגמים הקיימים בננו-מרוכבים, ובכך להוריד את המוליכות התרמית.

CdSe-SnSe רב-גבישי מעובד תמיסה, מהונדס פני שטח, בעל מוליכות תרמית נמוכה

שיטה לחיבור קבוע של שני ופלים מסיליקון כדי לממש מארז אחיד מתוארת. זה כולל הכנת רקיקים, ניקוי, מליטה RT, ותהליכי חישול. ופלים מלוכדים וכתוצאה מכך (תאים) יש אחידות של המתחם ~ 1%1,2. הגיאומטריה המתקבלת מאפשרת מדידות של נוזלים וגזים מוגבלים.

ייצור חללים ננומטריים אחידים באמצעות מליטה וופל ישיר סיליקון

חקור זרימה תרמית בחלל באמצעות ניסוי תרמוקפילרי בלווין SJ-10. למד שיטות מדידה עם מצלמות תרמיות וחיישני תזוזה לניתוח התנהגות נוזלים במיקרוגרביטציה.

ניסוי בחלל החום התרמונימי על לווין ההשבה של SJ-10

גלה סרטונים נוספים