Name: Esperimento spazio convezione termocapillare sul satellite recuperabile SJ-10 (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2020-03-11T12:00:00.000+00:00
Duration: 7 min
Description: Scopri la convezione termocapillare in microgravità con il satellite SJ-10. Questo protocollo sperimentale utilizza termocoppie e telecamere termiche a infrarossi per analizzare le oscillazioni termiche e le deformazioni di superficie nei fluidi.

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Ci sono molti partecipanti che hanno contribuito al lavoro riportato in questo documento, compresi tutti i membri del nostro team di progetto, così come alcune persone del centro di ricerca e formazione degli astronauti (ACC) e Neusoft.
Questo lavoro è finanziato dallo Strategic Priority Research Program on Space Science, Chinese Academy of Sciences: SJ-10 Recoverable Scientific Experiment Satellite (Grant No. XDA04020405 e XDA04020202-05), e dal fondo congiunto della National Natural Science Foundation of China (U1738116).

1. Progettazione e preparazione del sistema sperimentale
<ol><li>Costruire la piscina liquida anulare.<ol>
<li>Costruire una piscina liquida anulare di rame misurando Ri - 4 mm di diametro interno e Ro 20 mm in diametro esterno e d 12 mm di altezza.</li>
		<li>Utilizzare una piastra polisulfone che misura RP e 20 mm di diametro come fondo della piscina liquida (vedere Tabella dei materiali).</li>
		<li>Forare un piccolo foro di misura, ovvero 2 mm di diametro vicino alla parete interna (6 mm di distanza dal centro del cerchio) come foro di iniezione liquido.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Mantenere l'interfaccia.<ol>
<li>Aggiungere angoli acuti (angoli di 45 gradi) sulle pareti laterali interne ed esterne (Figura 2).</li>
		<li>Applicare il liquido anti-creeping21 (vedere Tabella dei materiali) alle pareti interne ed esterne ad un'altezza superiore a 12 mm.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Preparare il sistema di stoccaggio del liquido funzionante.<ol>
<li>Scegliere l'olio di silicone 2cSt come liquido funzionante (vedere Tabella dei materiali).</li>
		<li>Utilizzare un cilindro idraulico come contenitore per la conservazione dell'olio di silicone (vedere Tabella dei materiali).</li>
		<li>Iniettare il fluido di lavoro nel cilindro idraulico utilizzando la tecnica senza bolle prima del lancio. NOTA: Bolle sospese nel fluido funzionante si tradurrà in un fallimento dell'esperimento.<ol>
<li>Scarico del gas nell'olio di silicone riscaldando il liquido a 60 gradi centigradi e applicando pressione <150 Pa per circa 6 h.</li>
			<li>Aspirare il sistema di stoccaggio dei liquidi fino a quando la sua pressione è <200 Pa.</li>
			<li>Alleviare la valvola per consentire all'olio di silicone di riempire il cilindro aspirato senza gas (Figura 3).</li>
		</ol>
</li>
	</ol>
</li>
	<li>Impostare il sistema di iniezione per il liquido di lavoro.<ol>
<li>Selezionare un motore a gradini per azionare l'iniezione o l'aspirazione del liquido (vedere Tabella dei materiali).</li>
		<li>Applicare una valvola solenoida per controllare l'interruttore di accensione del sistema di iniezione (vedere Tabella dei materiali).</li>
		<li>Collegare il motore a gradino al cilindro liquido utilizzando un giunto universale (Figura 4).</li>
		<li>Collegare il cilindro liquido, la valvola solenoide e il foro di iniezione in successione con un tubo di 4 mm di diametro esterno.</li>
	</ol>
</li>
</ol>2. Istituzione del sistema di controllo della temperatura
<ol><li>Incorporare il cilindro interno con una pellicola di riscaldamento (resistenza Rt - 14,4 x 0,5 ) e misurare la temperatura Ti con una termocoppia di tipo K (vedere Tabella dei materiali).</li>
	<li>Attacca simmetricamente sei chip di refrigerazione (ogni due chip sono collegati in parallelo come un gruppo, e tre gruppi sono collegati in una serie) alla parete esterna e ottengono la temperatura della parete esterna To utilizzando un'ulteriore termocoppia di tipo K. NOTA: La differenza di temperatura èT - Ti - To.</li>
</ol>3. Istituzione del sistema di misura
NOTA: tutti i dispositivi possono essere controllati da software.
<ol><li>Posizionare sei termocoppie (T1 - T6) all'interno della piscina liquida per misurare le temperature in punti diversi. Il layout dettagliato è illustrato nella Figura 5.</li>
	<li>Posizionare la telecamera a infrarossi direttamente sopra la superficie liquida e ruotare l'obiettivo per regolare la messa a fuoco e raccogliere le informazioni sul campo di temperatura sulla superficie priva di liquidi (vedere Tabella dei materiali).</li>
	<li>Regolare il sensore di spostamento per misurare lo spostamento di un certo punto (r - 12 mm) sulla superficie del liquido (vedere Tabella dei materiali). NOTA: Il sensore di spostamento laser viene utilizzato per questo carico utile al fine di realizzare un campionamento ad alta velocità di 100 s, che è un metodo di misurazione ad altissima precisione con una risoluzione di 1 m e una linearità di 0,1% F.S.</li>
	<li>Utilizzare la telecamera CCD per mettere a fuoco la superficie liquida e registrare il cambiamento della superficie libera (vedere Tabella dei materiali, Figura 6). NOTA: il numero di pixel effettivi è 752 x 582 e l'illuminazione minima è 1,6 Lux/F2.0.</li>
</ol>4. Processo sperimentale
<ol><li>Avviare il software di controllo dell'esperimento e attivare il pulsante di accensione.</li>
	<li>Eseguire l'iniezione di liquido.<ol>
<li>Applicare 12 V sulla valvola solenoide per aprirla.</li>
		<li>Accendere il pulsante del motore per spingere il motoreun passo di 2.059 mm e iniettare 10.305 mL di olio di silicone nella piscina liquida.</li>
		<li>Spegnere la potenza della valvola solenoide per chiudere la valvola solenoide.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Eseguire il riscaldamento lineare.<ol>
<li>Impostare le condizioni sperimentali come segue: temperatura di destinazione di riscaldamento Ti - 50 gradi centigradi; temperatura di raffreddamento diraffreddamento To e la velocità di riscaldamento: 0,5 gradi centigradi/min.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Raccogliere dati.<ol>
<li>Impostare le frequenze di campionamento corrispondenti dell'immagine a infrarossi, delle termocoppie, del sensore di spostamento e del CCD rispettivamente su 7,5 Hz, 20, 20 Hz e 25 Hz.</li>
		<li>Fare clic sul pulsante relativo al sistema di raccolta dati e monitorare la temperatura, lo spostamento e altre informazioni utilizzando il software del computer (Figura 7).</li>
	</ol>
</li>
	<li>Spegnere il pulsante di accensione. NOTA: Attendere 1 h in modo che le temperature delle estremità calde e fredde siano uguali alla temperatura ambiente per il seguente esperimento.</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>
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<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>
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<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>
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<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>
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<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>

Non abbiamo niente da rivelare.

A causa della limitazione delle risorse spaziali, il volume dell'apparecchiatura nel suo complesso è di soli 400 mm , 352 mm e 322 mm, con un peso di soli 22,9 x 0,2 kg. Questo è molto scomodo quando si selezionano e dispongono dispositivi sperimentali, e la creazione del sistema di flusso diventa il passo critico. Pertanto, l'aumento della differenza di temperatura è impostato a due estremità della piscina liquida in modo che il fluido possa generare una serie di fenomeni di flusso. Per osservare l'intero processo di co...

In condizioni di microgravità nello spazio, molti fenomeni fisici interessanti sono presentati a causa dell'assenza di gravità. In un liquido con una superficie libera, esiste un nuovo sistema di flusso (cioè il flusso termocapillare) che è causato dal gradiente di temperatura o dal gradiente di concentrazione. A differenza della convezione tradizionale sul terreno, la convezione termocapillare è un fenomeno onnipresente negli ambienti spaziali. Poiché si tratta di un argomento di ricerca molto importante nella fisica dei fluidi di microgravità, sono stati condotti una serie di esperimenti nello spazio e a terra. Recentemente, sono stati effettuati studi sperimentali spaziali sulla convezione termocapillare sul satellite esperimento scientifico recuperabile SJ-10. Il carico utile dell'esperimento spaziale consisteva in otto sistemi, vale a dire un sistema di esperimenti sui fluidi, un sistema di archiviazione e iniezione di liquidi, un sistema di controllo della temperatura, un sistema di misurazione della termocoppia, una termocamera a infrarossi, sensori di spostamento, un sistema di acquisizione di immagini CCD e un sistema di controllo elettrico, come illustrato nella Figura 1 (a sinistra). Il payload dell'esperimento spaziale per la ricerca sulle onde superficiali della convezione termocapillare è illustrato nella Figura 1 (a destra). Questo studio si è concentrato sull'instabilità del flusso, dei fenomeni di oscillazione e delle transizioni, che sono caratteristiche importanti nel processo di transizione dal flusso laminare al caos. Gli studi su questi argomenti fondamentali hanno un grande significato per la ricerca relativa al forte flusso non lineare.
A differenza della convezione di galleggiamento guidata dalla forza del volume, la convezione termocapillare è un fenomeno causato dalla tensione superficiale all'interno dell'interfaccia tra due fluidi immiscibili. La grandezza della tensione superficiale cambia con alcuni parametri scalari, tra cui la temperatura, la concentrazione soluta e la forza del campo elettrico. Quando questi campi scalari si distribuiscono in modo non uniforme nell'interfaccia, sulla superficie libera sarà presente un gradiente di tensione superficiale. Il fluido sulla superficie libera è guidato dal gradiente di tensione superficiale per passare dalla posizione con minore tensione superficiale a quella con maggiore tensione superficiale. Questo flusso è stato interpretato per la prima volta da un fisico italiano, Carlo Marangoni. Quindi, è stato chiamato il "effetto Marangoni"1. Il flusso di Marangoni sulla superficie libera si estende al liquido interno per viscosità e di conseguenza genera ciò che è noto come convezione Marangoni.
A rigor di continuità, per il sistema fluido con una superficie libera, la convezione termocapillare e la convezione di galleggiamento appaiono sempre contemporaneamente sotto la gravità normale. In generale, per un sistema convettivo macroscopico, la convezione termocapillare è un effetto minore e di solito viene ignorata rispetto alla convezione di galleggiamento. Tuttavia, sotto la condizione di un sistema convettivo su piccola scala o nell'ambiente di microgravità, la convezione di galleggiamento sarà notevolmente indebolita, o addirittura scomparirà, e la convezione termocano diventerà dominante nel sistema di flusso. Per un lungo periodo di tempo, la ricerca si è concentrata sulla convezione di galleggiamento su macroscala a causa dei limiti nelle attività umane e nei metodi di ricerca2,3,4. Tuttavia, negli ultimi decenni, con il rapido sviluppo della scienza e della tecnologia moderne come l'aerospaziale, il cinema, il MEMS e la scienza non lineare, la necessità di ulteriori ricerche sulla convezione termocania è diventata sempre più urgente.
Gli studi sull'idrodinamica a microgravità hanno un importante significato accademico e prospettive di applicazione. Molti dinamici, chimici fisici, biologi e materiali che gli scienziati si sono riuniti per lavorare in questo campo. Kamotani e Ostrach hanno completato esperimenti sulla convezione termocapillare in una pozza liquida anulare in condizioni di microgravità2,5,6,7,e osservato flusso costante, flusso oscillatorio, e condizioni critiche. Schwabe et al. ha studiato la convezione galleggiante-termocapillare in una piscina liquida anulare simile3,9 e ha scoperto che il flusso oscillatorio è apparso prima come onde termomontane, e poi si è rivolto a un flusso più complesso con l'aumento della differenza di temperatura. Nel 2002, Schwabe e Benz et al. hanno segnalato un gruppo di esperimenti sulla convezione termocapillare in una piscina liquida anulare effettuata sul satellite russo FOTON-124,10. I risultati sperimentali spaziali sono stati coerenti con i risultati sperimentali a terra. Alcuni scienziati giapponesi hanno effettuato tre serie di esperimenti sul convezione termocapillare a ponte liquido, chiamata Marangoni Experiment in Space (MEIS), sulla Stazione Spaziale Internazionale11,12,13. Alcune apparecchiature sperimentali, tra cui la fotocamera, l'imager termico, i sensori termocoppia e la tecnologia 3D-PTV e fotocromatica, sono state applicate in questi tre compiti. Sono state determinate le condizioni critiche della convezione termocapillare a diversi rapporti di aspetto e sono state osservate strutture di flusso tridimensionali (3D).
Negli ultimi 30 anni, la scienza della microgravità ha subito uno sviluppo prolifico in Cina14,15,16, e una serie di esperimenti di microgravità sono stati condotti nello spazio17,18. Nel campo della fisica dei fluidi, il primo esperimento di microgravità è stato lo studio del fluido a due strati sul satellite recuperabile SJ-5 nel 1999, e la struttura del flusso è stata ottenuta dal metodo di tracciamento delle particelle14. Nel 2004, lo studio sulla migrazione termocapillare di una goccia è stato effettuato sulla S z-4, e il rapporto tra la velocità della migrazione e il numero critico Dich (Ma) è stato ottenuto15,16. Nel 2005, lo studio sperimentale sulla migrazione termocapillare multi-bolla è stato effettuato sul JB-417, e le regole di migrazione sono state ottenute come il numero di Ma è stato aumentato a 8.000. Nel frattempo, sono stati studiati anche problemi come la fusione delle bolle. Nel 2006, lo studio sul trasferimento di massa di diffusione è stato effettuato sul satellite recuperabile SJ-8, l'interferometro Mach-Ehnder è stato applicato per la prima volta nell'esperimento spaziale, è stato osservato il processo di trasferimento di massa di diffusione e il coefficiente di diffusione è stato valutato18.
Negli ultimi anni, sono stati effettuati una serie di studi sperimentali a terra incentrati sui processi di oscillazione e biforcazione nella convezione termocapillare, ed è stato analizzato l'effetto accoppiato della galleggiabilità e della forza termocana. I risultati sperimentali mostrano che l'effetto di galleggiamento non può essere ignorato negli esperimenti a terra, in quanto svolge un ruolo dominante in molti casi19,20,21,22.22 Nel 2016, sono stati condotti due esperimenti di microgravità per la ricerca di convezione termocapillare nel ponte liquido sul TG-2 e convezione termocapillare nella piscina liquida anulare sul satellite recuperabile SJ-1023,24. Il presente documento introduce il carico utile sperimentale della convezione termocapillare sulla SJ10 e i risultati dell'esperimento spaziale. Questi metodi saranno utili per esplorare il meccanismo di oscillazione termocapillare.
Per osservare la transizione del modello convettivo, l'oscillazione della temperatura e la deformazione della superficie priva di liquidi, sei termocoppie, una termocamera a infrarossi e un sensore di spostamento per quantificare la frequenza, l'ampiezza e altre quantità fisiche dell'oscillazione sono stati utilizzati. Attraverso indagini sull'oscillazione e la transizione nella convezione termocapillare nello spazio, il meccanismo di convezione termocapillare nell'ambiente microgravità, che fornisce indicazioni scientifiche per la crescita dei materiali nello spazio, può essere scoperto e compreso. Inoltre, le innovazioni tecnologiche in tali esperimenti spaziali, come le tecniche di manutenzione della superficie liquida e l'iniezione liquida senza bolle, miglioreranno ulteriormente la semplicità e il livello tecnico degli esperimenti di microgravità nei fluidi Fisica.
Questo documento introduce lo sviluppo del carico utile e l'esperimento spaziale del progetto termocapillare sulle onde superficiali effettuato sul satellite sperimentale scientifico SJ-10. Come carico utile per esperimenti spaziali, questo sistema di convezione termocapillare ha una forte capacità anti-vibrazione per prevenire urti violenti, soprattutto durante il processo di lancio del satellite. Al fine di soddisfare i requisiti del funzionamento a distanza, il processo di esperimento spaziale viene controllato automaticamente e i dati sperimentali spaziali possono essere trasmessi alla stazione di ricezione del segnale di terra della navicella spaziale e quindi agli scienziati sperimentali Piattaforma.

<table><tbody><tr><td>liquido anti-strisciamento</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>Sensore di spostamento</td><td>Panasonic</td><td>HL-C1</td><td></td></tr><tr><td>Pellicola riscaldante</td><td>HongYu</td><td>125 Q/W335.1A</td><td></td></tr><tr><td>Cilindro idraulico</td><td>FESTO</td><td>ADVU-40-25-P-A</td><td></td></tr><tr><td>Telecamera a infrarossi</td><td>FLIR</td><td>Tau2</td><td></td></tr><tr><td>LED</td><td>693 Istituto</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>Tubo, 4mm</td><td>FESTO</td><td>PUN-4X0,75-GE</td><td></td></tr><tr><td>piastra in polisulfone</td><td>507 Istituto</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Chip di refrigerazione</td><td>Zhongke</td><td>9502/065/021M</td><td></td></tr><tr><td>Olio di silicone, 2cSt</td><td>Shin-Etsu</td><td>KF-96</td><td></td></tr><tr><td>Solenoide</td><td>FESTO</td><td>MFH-2-M5</td><td></td></tr><tr><td>Regolatore di temperatura</td><td>Eurotherm</td><td>3304</td><td></td></tr><tr><td>Termocoppia, tipo K</td><td>North University of China</td><td>ZBDX-HTTK</td><td></td></tr></tbody></table>

esperimento spazio convezione termocapillare sul satellite recuperabile sj-10

Thermocapillary Convection Space Experiment on the SJ-10 Recoverable Satellite

La convezione termocapillare è un importante soggetto di ricerca nella fisica dei fluidi di microgravità. Lo studio sperimentale sulle onde superficiali della convezione termocapillare in una piscina liquida anulare è uno dei 19 progetti sperimentali scientifici sul satellite recuperabile SJ-10. È stato presentato un progetto per un carico utile per uno studio sperimentale sullo spazio sulla convezione termocapillare che include il modello sperimentale, il sistema di misurazione e il sistema di controllo. Vengono fornite le specifiche per la costruzione di un modello sperimentale di una piscina liquida anulare con rapporti di volume variabili. Le temperature fluide sono registrate da sei termocoppie con un'alta sensibilità di 0,05 gradi centigradi in diversi punti. Le distribuzioni di temperatura sulla superficie libera del liquido vengono catturate mediante una termocamera a infrarossi. La deformazione della superficie libera viene rilevata da un sensore di spostamento con un'elevata precisione di 1 m. Il processo sperimentale è completamente automatizzato. La ricerca si concentra sui fenomeni di oscillazione termocapillare sulle transizioni di modelli di superficie e convettive senza liquido attraverso analisi di dati e immagini sperimentali. Questa ricerca sarà utile per comprendere il meccanismo di convezione termocapillare e offrirà ulteriori approfondimenti sulle caratteristiche non lineari, l'instabilità del flusso e le transizioni di biforcazione del convezione termocanopillare.

È stato definito il rapporto di volume accurato e la topografia della superficie liquida è stata ricostruita in base alle immagini catturate dal CCD. È stata determinata la condizione critica di instabilità e le caratteristiche di oscillazione sono state studiate attraverso analisi su segnali di temperatura a punto singolo e segnali oscillanti di spostamento. La struttura del campo di flusso è stata ottenuta e la transizione del modello di flusso è stata determinata attraverso il cambiame...

In questo documento sono presentati un protocollo per la progettazione del carico utile spaziale, l'esperimento spaziale sulla convezione termocapillare e le analisi di dati e immagini sperimentali.

Esperimento spazio convezione termocapillare sul satellite recuperabile SJ-10

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

Comprendere gli effetti dell'oscillazione e della biforcazione nella convezione termocapillare è importante per lo studio di un forte flusso non lineare nello spazio. A causa delle limitate risorse e condizioni di spazio, il carico utile sperimentale dovrebbe essere di piccole dimensioni, leggero e possedere capacità anti-vibrazioni. Le innovazioni della tecnologia spaziale, come l'esecuzione della manutenzione della superficie liquida e l'iniezione di liquidi senza bolle, possono migliorare ulteriormente la capacità tecnica degli esperimenti di microgravità nella fisica dei fluidi.Osservando la transizione di convezione, l'oscillazione della temperatura e la deformazione superficiale di un liquido è necessario l'uso di termocopia una termocamera a infrarossi e un sensore di spostamento. A dimostrare la procedura saranno Wang Jia, Wu Di e Hu Liang, tecnici del mio laboratorio. Inizia costruendo una piscina liquida anulare in rame con un raggio interno di quattro millimetri di diametro e un raggio esterno di 20 millimetri di diametro e un'altezza di 12 millimetri.Utilizzare una piastra di polisolfone di 20 millimetri di diametro come fondo della piscina liquida e praticare un piccolo foro di due millimetri di diametro a sei millimetri di distanza dal centro della piastra come foro di iniezione del liquido. Aggiungere angoli affilati ad angolo di 45 gradi sulle pareti laterali interne ed esterne e applicare il liquido anti-strisciante sulle pareti interne ed esterne a un'altezza superiore a 12 millimetri. Quindi, selezionare un olio di silicone a bassa viscosità appropriato come fluido di lavoro e riscaldare il liquido a 60 gradi Celsius.Per scaricare qualsiasi gas dall'olio, applicare meno di 150 pascal di pressione per sei ore, seguiti dall'aspirapolvere del sistema di stoccaggio del liquido fino a quando la pressione raggiunge poco meno di 200 pascal. Quindi, alleviare la valvola per consentire all'olio di silicone di riempire il cilindro aspirato senza gas. Per impostare il sistema di iniezione per il liquido di lavoro, selezionare un motore a gradini per guidare l'iniezione e l'aspirazione del liquido e applicare una valvola solenoide per controllare l'interruttore di accensione/spegnimento del sistema di iniezione.Utilizzare un giunto universale per collegare il motore a gradini al cilindro liquido e utilizzare un tubo di diametro esterno di quattro millimetri per collegare successivamente il cilindro liquido, la valvola solenoide e il foro di iniezione. Per stabilire il sistema di misurazione, posizionare sei termopialle all'interno del pool di liquidi per misurare le temperature in diversi punti, come illustrato nella figura. Posizionare una termocamera direttamente sopra la superficie liquida e ruotare l'obiettivo per regolare la messa a fuoco e raccogliere le informazioni sul campo di temperatura sulla superficie priva di liquidi.Regolare il sensore di spostamento per misurare lo spostamento di uno specifico punto di interesse sulla superficie liquida e utilizzare la fotocamera CCD per concentrarsi sulla superficie liquida. Quindi, registrare il cambiamento della superficie libera. Per iniziare l'esperimento, avviare il software di controllo dell'esperimento e attivare il pulsante di accensione.Per eseguire l'iniezione di liquido, applicare 12 volt sulla valvola solenoide per aprire la valvola. Quindi, accendere il pulsante del motore per avviare il motore con un passo di 2.059 millimetri per iniettare 10,305 millilitri di olio di silicone nella piscina liquida. Una volta che tutto l'olio è stato consegnato, spegnere la potenza della valvola solenoide per chiudere la valvola solenoide.Per eseguire il riscaldamento lineare, impostare la temperatura target di riscaldamento su 50 gradi Celsius, la temperatura target di raffreddamento a 15 gradi Celsius e la velocità di riscaldamento a 0,5 gradi Celsius al minuto. Per la raccolta dei dati, impostare la frequenza di campionamento dell'imager a infrarossi su 7,5 hertz, la frequenza della termocopia e il sensore di spostamento su 20 hertz e la frequenza CCD su 24 hertz. Una volta impostati tutti i parametri, fare clic sul pulsante del sistema di raccolta dati e monitorare la temperatura, lo spostamento e altre informazioni di interesse nel software del computer.Al termine dell'analisi, spegnere l'alimentazione. Questi modelli sperimentali e metodi di misurazione sono stati integrati in questo carico utile sul satellite SJ-10. Sono finiti 23 esperimenti di microgravità sulla convezione termocapillare ad onda superficiale.In queste immagini termiche infrarosse delle distribuzioni di temperatura su una superficie priva di liquidi in convezione termocapillare, si può osservare una varietà di schemi di flusso oscillatorio, tra cui oscillazioni radiali e rotazioni circonferenziali in senso orario e antiorario. In questo esperimento rappresentativo, le temperature all'interno del fluido aumentarono linearmente con l'aumento della differenza di temperatura, con il campo di temperatura che fluttuava periodicamente una volta che la differenza di temperatura superava una certa soglia, indicando che la convezione termocapillare si sviluppò da uno stato stazionario a uno stato oscillatorio. Inoltre, l'ampiezza della temperatura oscillatoria crebbe man mano che il campo di flusso si evolveva, come indicato in questa analisi dello spettro, mostrando che la frequenza di oscillazione critica era di 0,064 hertz.Sebbene la convezione di galleggiamento del sistema a terra su piccola scala fosse indebolita, il flusso era ancora un accoppiamento di convetzioni termocapillari e di galleggiamento, con risultati diversi osservati nei risultati degli esperimenti spaziali, confrontati con i risultati ottenuti negli esperimenti sul terreno. Confrontando un gran numero di dati di deformazione per la superficie priva di liquidi misurati dal sensore di spostamento e i dati di temperatura del fluido misurato dalle termocopia, è stato anche osservato che la deformazione superficiale e il campo di temperatura nel fluido hanno iniziato a oscillare contemporaneamente e con la stessa frequenza. Queste due tecnologie chiave, il mantenimento di una superficie fluida e l'iniezione di liquidi senza formazione di bolle, svolgono un ruolo essenziale nella ricerca spaziale sperimentale.Speriamo che il presente lavoro possa fornire una base scientifica e un supporto tecnico ai telespettatori interessati a tentare queste tecniche.

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