この論文では、宇宙ペイロード設計のプロトコル、熱キャピラリー対流に関する宇宙実験、実験データと画像の分析を行う。
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方法論記事
SJ-10回収衛星における熱キャピラリー対流宇宙実験
* These authors contributed equally
この記事について
サマリー
要約
熱キャピラリー対流は微小重力流体物理学における重要な研究課題である。環状液体プールにおける熱キャピラリー対流の表面波に関する実験的研究は、SJ-10回収可能な衛星上の19の科学的実験プロジェクトの1つである。本講演は、実験モデル、測定システム、制御システムを含む熱キャピラリー対流に関する宇宙実験研究のためのペイロードの設計です。可変体積比を有する環状液体プールの実験モデルの構築に関する詳細が提供される。流体温度は、異なる点で0.05°Cの高感度で6熱電対によって記録されます。液体フリー表面の温度分布は、赤外線サーマルカメラによってキャプチャされます。自由表面変形は1μmの高精度の変位センサーによって検出される。実験プロセスは完全に自動化されています。実験データや画像の解析を通じた液体フリー表面の熱キャピラリー振動現象と対流パターンの遷移に焦点を当てています。本研究は、熱キャピラリー対流のメカニズムを理解するのに役立ち、熱キャピラリー対流の非線形特性、流れの不安定性、分岐遷移に関するさらなる洞察を提供する。
概要
宇宙の微小重力条件下では、重力の欠如により多くの興味深い物理現象が提示されます。自由表面を有する液体には、温度勾配または濃度勾配によって引き起こされる新しい流れシステム(すなわち熱キャピラリー流れ)が存在する。地上の伝統的な対流とは異なり、熱キャピラリー対流は宇宙環境におけるユビキタス現象です。微小重力流体物理学において非常に重要な研究課題であるため、宇宙空間や地上で多くの実験が行われてきた。最近、SJ-10回収可能な科学実験衛星の熱キャピラリー対流に関する宇宙実験研究が行われた。宇宙実験用ペイロードは、図1(左)に示すように、8つのシステム、すなわち流体実験システム、液体貯蔵および注入システム、温度制御システム、熱電対測定システム、赤外線サーマルカメラ、変位センサー、CCD画像取得システム、および電気制御システムで構成されています。熱キャピラリー対流の表面波に関する研究のための宇宙実験ペイロードを図1(右)に示す。本研究では、流れ、振動現象、および転移の不安定性に焦点を当てたもので、層流からカオスへの移行過程において重要な特徴である。これらの基礎的な課題に関する研究は、強い非線形流動に関する研究に大きな意義を持っています。
体積力によって駆動される浮力対流とは異なり、熱キャピラリー対流は、2つの非混和性流体間の界面内の表面張力によって引き起こされる現象です。表面張力の大きさは、温度、溶質濃度、電界強度など、....
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プロトコル
実験システムの設計と準備
- 環状の液体プールを構築します。
- 内径Ri = 4 mm、外径でR Ro = 20 mm、高さd = 12 mm の銅環状液体プールを構築します。
- 液体プールの底部として、RP = 直径20mmのポリサルホンプレートを使用します(材料表を参照)。
- 内壁に近いϕ直径φ=2mmの小穴(円の中心から6mm離れた)を液体注入穴として掘削します。
- インターフェイスを維持します。
- 内側と外側の側壁に鋭い角(45°の角度)を追加します(図2)。
- 内壁と外壁に対して、12mmを超える高さに対して、反クリーピング液体21(材料表を参照)を適用します。
- 作動液の貯蔵システムを準備する。
- 2cStシリコーンオイルを作動液として選択します(材料表を参照)。
- シリコーンオイルを貯蔵する容器として油圧シリンダを使用する(
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結果
正確な体積比を定義し、液体表面地形はCCDによって撮影された画像に基づいて再構築されました。臨界不安定性条件を決定し、単一点温度信号と変位振動信号の解析を通じて発振特性を研究した。フローフィールドの構造を得て、時間とともに赤外線画像の変化を経て流動パターンの推移を求めた。流れの特徴、流れ機構および分岐転移はまた複数の実験結果の総合的な分析によって検討することができる。
熱熱放射状の熱画像は、熱キャピラリー対流で液体フリーの表面上の温度分布を可視化するために得られた。放射状振動や時計回り/反時計回りの円周回転など、さまざまな振動流れパターンが観察されています(図8)。熱キャピラリー流はまず安定性を失い、放射状振動に移行し、次に周回波に移行します。安定した熱キャピラリー対流は、立ち波、次に進行波、そして最後に進行波と立ち波の結合状態に進化することが分かった。
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ディスカッション
スペースリソースの制限により、機器全体の容積はわずか400mm×352mm×322mmで、重量はわずか22.9±0.2kgです。実験装置を選択してレイアウトする場合、これは非常に不便であり、フローシステムの確立が重要なステップになります。したがって、温度差の増加は、流体が一連の流れ現象を生成できるように、液体プールの両端に設定されます。単一の実験で安定から振動までの対流のプロセス全体を観察するために、2cStシリコーンオイルは、その透明性と適切な物理的パラメータのために作動液として選択されます。また、表面張力のため、液面が湾曲している。変位センサーの観測点は、内径と外径の中心に配置する必要があります。
物理的特性による誤差を無視すると、実験パラメータの不確実性が得られます。熱キャピラリー対流の臨界閾値の合成標準不確実性は1.11%と判定された。液体蒸発や体積読み取りなどの要因によって引き起こされる体積比の不確実性は4.00%以内であり、その中で液体プールの温度測定と幾何学的寸法によって引き起こされる標準的なランダムな不確実性はそれぞれ0.05°Cおよび0.01mmである。液体注入/.......
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開示事項
開示するものは何もありません。
謝辞
本稿では、プロジェクトチームのメンバー、宇宙飛行士研究訓練センター(ACC)、ノイソフトなど、この論文で報告された研究に貢献した参加者が多数います。
この研究は、中国科学院宇宙科学戦略優先研究プログラム(SJ-10回収可能な科学実験衛星)によって資金提供されています。XDA04020405およびXDA04020202-05、および中国国立自然科学財団の共同基金(U1738116)による。
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材料
| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| 忍び寄る液体 | 3M | EGC-1700 | |
| CCD | WATTEC | WAT-230VIVID | |
| 変位センサー | パナソニック | HL-C1 | |
| 加熱フィルム | HongYu | 125 Q/W335.1A | |
| 油圧シリンダー | FESTO | ADVU-40-25-P-A | |
| 赤外線カメラ | FLIR | Tau2 | |
| LED | 693 | 10257MW7C | |
| モントール | PI | M-227 | |
| モントールコントローラーPI | C-863 | ||
| パイプ、4mm | FESTO | パン-4X0,75-GE | |
| ポリスルホンプレート | 507研究所 | ||
| 冷凍チップ | 中科 | 9502/065 / 021M | |
| シリコンオイル、2cSt | 信越 | KF-96 | |
| ソレノイド | FESTO | MFH-2-M5 | |
| 温度調節器 | Eurotherm | 3304 | |
| 熱電対、K型 | 中国北大学 | ZBDX-HTTK |
参考文献
- Scriven, L. E., Sternling, C. V. The Marangoni effect. Nature. 187, 186-188 (1960).
- Kamotani, Y., Chang, A., Ostrach, S. Effects of heating mode on steady antisymmetric thermocapillary flows in microgravity. Heat Transfer in Microgravity Systems, Trans. American Society of Mechanical Engineers. 290, https://heattransfer.asmedigitalcollection.asme.org/ 53-59 (1994).
- Benz, S., Schwabe, D.
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再版と許可
