Name: SJ-10回収衛星における熱キャピラリー対流宇宙実験 (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2020-03-11T12:00:00.000+00:00
Duration: 7 min
Description: 学ぶ 熱キャピラリー対流の微重力実験手法。SJ-10衛星ペイロード設計と温度振動・表面変形の観測技術を習得し、宇宙流体物理学の研究基盤を構築する。

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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。

実験システムの設計と準備
<ol><li>環状の液体プールを構築します。<ol>
<li>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。</li>
		<li>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)。</li>
		<li>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。</li>
	</ol>
</li>
	<li>インターフェイスを維持します。<ol>
<li>内側と外側の側壁に鋭い角(45°の角度)を追加します(図2)。</li>
		<li>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。</li>
	</ol>
</li>
	<li>作動液の貯蔵システムを準備する。<ol>
<li>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)。</li>
		<li>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(材料表を参照)。</li>
		<li>起動前にバブルフリーの技術を使用して油圧シリンダーに作動油を注入します。 注: 作動流体に懸濁された泡は実験の失敗をもたらす。<ol>
<li>液体を60°Cに加熱し、約6時間の圧力<150 Paを加えることによって、シリコーン油中のガスを排出します。</li>
			<li>液体貯蔵システムの圧力が<200 Paになるまで真空にします。</li>
			<li>バルブを緩和して、シリコーンオイルがガスなしで真空ボンベを充填できるようにします(図3)。</li>
		</ol>
</li>
	</ol>
</li>
	<li>作動液用の注入システムをセットアップします。<ol>
<li>液体の注入または吸引を駆動するステップモーターを選択します(材料表を参照)。</li>
		<li>ソレノイドバルブを適用して、射出システムのオンオフスイッチを制御します(材料表を参照)。</li>
		<li>汎用ジョイントを使用してステップモータを液体シリンダーに接続します(図4)。</li>
		<li>液体シリンダー、ソレノイドバルブ、射出穴を外径4mmのパイプで連続して接続します。</li>
	</ol>
</li>
</ol>2. 温度制御システムの確立
<ol><li>内部シリンダーに加熱フィルム(抵抗Rt = 14.4 ± 0.5 Ω)を埋め込み、K型熱電対で温度Tiを測定します(材料表を参照)。</li>
	<li>対称的に6つの冷凍チップ(2つのチップはグループとして並列に接続され、3つのグループは一連に接続されています)を外壁に取り付け、追加のK型熱電対を使用して外壁温度Tooを得ます。 注意: 温度差はΔT = Ti - Toです。</li>
</ol>3. 測定システムの確立
メモ:すべてのデバイスはソフトウェアで制御できます。
<ol><li>液体プール内に 6 つの熱電対(T1 - T6)を配置して、異なるポイントの温度を測定します。詳細なレイアウトを図5に示します。</li>
	<li>赤外線カメラを液体表面の真上に置き、レンズを回転させて焦点を合わせ、液体のない表面の温度フィールド情報を収集します(材料表を参照)。</li>
	<li>変位センサーを調整して、液体表面上の特定の点(r = 12 mm)の変位を測定します(「材料表」を参照)。 注:このペイロードには、1μmの解像度と直線性±0.1%の直線性を備えた超高精度測定方法である100μsの高速サンプリングを実現するために、レーザー変位センサを使用します。</li>
	<li>CCDカメラを使用して液体表面に焦点を当て、自由な表面の変化を記録します(材料表、図6を参照)。 注: 有効ピクセル数は 752 x 582 で、最小イルミネーションは 1.6 ルクス/F2.0 です。</li>
</ol>4. 実験過程
<ol><li>実験制御ソフトウェアを起動し、電源ボタンをオンにします。</li>
	<li>液体注入を行います。<ol>
<li>ソレノイドバルブに12 Vを適用して開きます。</li>
		<li>モーターボタンをオンにして2.059 mmのステップでモーターを押し、10,305 mLのシリコーンオイルを液体プールに注入します。</li>
		<li>ソレノイドバルブを閉じるには、ソレノイドバルブの電源を切ります。</li>
	</ol>
</li>
	<li>リニア加熱を行います。<ol>
<li>実験条件を次のように設定します: 加熱対象温度Ti = 50 °C;冷却目標温度To = 15°C;と加熱速度 = 0.5 °C/分。</li>
	</ol>
</li>
	<li>データを収集します。<ol>
<li>赤外線イメージャー、熱電対、変位センサー、CCD の対応するサンプリング周波数をそれぞれ 7.5 Hz、20 Hz、20 Hz、25 Hz に設定します。</li>
		<li>データ収集システムのボタンをクリックし、コンピュータソフトウェアを使用して温度、変位、その他の情報を監視します(図7)。</li>
	</ol>
</li>
	<li>電源ボタンをオフにします。 注: 熱い端と冷たい端の温度が次の実験の周囲温度と等しくなるように 1 時間待ちます。</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>

開示するものは何もありません。

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/...

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、いくつかのスカラーパラメータによって変化します。これらのスカラー フィールドがインターフェイス内で不均一に分布する場合、自由サーフェス上にサーフェス張力勾配が存在します。自由表面の流体は、表面張力勾配によって駆動され、表面張力が小さい位置から、より大きな表面張力を持つ位置に移動します。この流れは、イタリアの物理学者カルロ・マランゴンニによって最初に解釈されました。したがって、それは「マランゴン効果」1と命名されました。自由表面上のマランゴンの流れは粘度によって内部液体に伸び、その結果、マランゴン対流と呼ばれるものを生成する。
厳密に言えば、自由な表面を持つ流体システムのために、熱キャピラリー対流と浮力対流は常に正常な重力下で同時に表示されます。一般に、巨視対流系では、熱キャピラリー対流は軽微な効果であり、通常は浮力対流と比較して無視されます。しかし、小さな対流系や微小重力環境下では、浮力対流が大幅に弱まり、消滅し、熱キャピラリー対流が流れ系で支配的になります。長い間、研究は人間の活動と研究方法22、3、43の限界のためにマクロスケール浮力対流に焦点を4当ててきました。しかし、ここ数十年、航空宇宙、フィルム、MEMS、非線形科学などの現代科学技術の急速な発展に伴い、熱キャピラリー対流に関するさらなる研究がますます急務となっています。
微小重力流体力学に関する研究は、学術的意義と応用の見通しが重要である。多くのダイナミック派、物理化学者、生物学者、材料科学者がこの分野で働くために集まりました。加谷とオストラクは微小重力条件下で環状液体プールにおける熱キャピラリー対流の実験を完了し、2、5、6、7、85,6,7,の条件下で安定した流れ、振動流れ、臨界条件を観察した。8Schwabeらは、同様の環状液体プール33,99で浮力-熱キャピラリー対流を研究し、振動流が最初に熱キャピラリー波として現れ、その後、温度差の増加に伴いより複雑な流れに変わったことを発見した。2002年、シュワベとベンツらは、ロシアのFOTON-12衛星44,1010で行われた環状液体プールにおける熱キャピラリー対流に関する実験群を報告した。彼らの宇宙実験結果は、地上実験結果と一致した。一部の日本の科学者は、国際宇宙ステーション11、12、13,12で、液体橋熱キャピラリー対流(MEIS)と名付けられた3つの一連の実験を行いました。カメラ、サーマルイメージャー、熱電対センサー、3D-PTVおよびフォトクロミック技術を含むいくつかの実験装置は、これらの3つのタスクに適用されました。異なるアスペクト比での熱キャピラリー対流の臨界条件を決定し、3次元(3D)流れ構造を観察した。
過去30年間、中国では微小重力科学が14,15,16,16で多発して開発され、宇宙14,17,1818で多くの微小重力17実験が行われてきました。流体物理学の分野では、最初の微小重力実験は、1999年にSJ-5回収可能な衛星上での2層流体の研究であり、粒子追跡法14によって流動構造を得た。2004年には、液滴の熱キャピラリー移動に関する研究をSZ-4で行い、移動速度と臨界マッハ(Ma)数との関係を15,16,16に得た。2005年にはJB-417でマルチバブル熱キャピラリー移行の実験研究を行い、Ma数が8,000に増加したため、移行規則が得られました。一方、バブルの合流などの問題も研究された。2006年、SJ-8回収可能な衛星に対して拡散質量移動に関する研究を行い、マッハ・ツェンダー干渉計を宇宙実験に初めて適用し、拡散量移動の過程を観察し、拡散係数を18に評価した。
近年、熱キャピラリー対流における振動と分岐過程に焦点を当てた一連の地上実験研究が行われ、浮力と熱キャピラリー力の結合効果が分析されている。実験結果,は、多くの場合19、20、21、2220,において支配的な役割を果たすため19、地盤実験では浮力効果を無視できないことを示している。21222016年には、TG-2上の液体橋の熱キャピラリー対流と、SJ-10回収可能な衛星23,24の環状液体プールにおける熱キャピラリー対流を研究するために2つの微小重力実験を行った。本論文では、SJ10上の熱キャピラリー対流の実験ペイロードと宇宙実験結果を紹介する。これらの方法は、熱キャピラリー振動のメカニズムを探索するのに役立ちます。
対流パターンの転移、温度振動、および液体のない表面変形を観察するために、6つの熱電対、赤外線サーマルカメラ、および周波数、振幅、およびその他の物理量を定量化する変位センサー振動の使用を行った。宇宙における熱キャピラリー対流の振動と転移に関する調査を通じて、宇宙における物質の成長に科学的指針を提供する微小重力環境における熱キャピラリー対流のメカニズムは、宇宙における物質の成長に関する科学的ガイダンスを提供することができる。発見され、理解されました。さらに、液体表面維持や気泡のない液体注入の技術など、宇宙実験における技術的ブレークスルーは、流体中の微小重力実験の簡便性と技術的レベルをさらに高める物理 学。
本論文では、SJ-10科学実験衛星で実施した熱キャピラリー表面波プロジェクトのペイロード開発と宇宙実験について紹介する。宇宙実験用ペイロードとして、この熱キャピラリー対流システムは、特に衛星打ち上げプロセス中に激しい衝撃を防ぐ強力な防振能力を有する。遠隔操作の要件を満たすために、宇宙実験プロセスは自動的に制御され、宇宙実験データは宇宙船の地上信号受信ステーションに送信され、その後科学者の実験に送信することができますプラットフォーム。

<table><tbody><tr><td>忍び寄る液体</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>変位センサー</td><td>パナソニック</td><td>HL-C1</td><td></td></tr><tr><td>加熱フィルム</td><td>HongYu</td><td>125 Q/W335.1A</td><td></td></tr><tr><td>油圧シリンダー</td><td>FESTO</td><td>ADVU-40-25-P-A</td><td></td></tr><tr><td>赤外線カメラ</td><td>FLIR</td><td>Tau2</td><td></td></tr><tr><td>LED</td><td>693</td>研究所<td>10257MW7C</td><td></td></tr><tr><td>モントール</td><td>PI</td><td>M-227</td><td></td></tr><tr><td>モントールコントローラーPI</td><td></td><td>C-863</td><td></td></tr><tr><td>パイプ、4mm</td><td>FESTO</td><td>パン-4X0,75-GE</td><td></td></tr><tr><td>ポリスルホンプレート</td><td>507研究所</td><td></td><td></td></tr><tr><td>冷凍チップ</td><td>中科</td><td>9502/065 / 021M</td><td></td></tr><tr><td>シリコンオイル、2cSt</td><td>信越</td><td>KF-96</td><td></td></tr><tr><td>ソレノイド</td><td>FESTO</td><td>MFH-2-M5</td><td></td></tr><tr><td>温度調節器</td><td>Eurotherm</td><td>3304</td><td></td></tr><tr><td>熱電対、K型</td><td>中国北大学</td><td>ZBDX-HTTK</td><td></td></tr></tbody></table>

sj-10回収衛星における熱キャピラリー対流宇宙実験

Thermocapillary Convection Space Experiment on the SJ-10 Recoverable Satellite

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。

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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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。

SJ-10回収衛星における熱キャピラリー対流宇宙実験

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

熱キャピラリー対流における振動と分岐の影響を理解することは、宇宙における強い非線形流れの研究にとって重要である。限られたスペース資源と条件のために、実験ペイロードはサイズが小さく、軽量で、防振能力を有するべきである。液体表面のメンテナンスや気泡のない液体注入などの宇宙技術のブレークスルーは、流体物理学における微小重力実験の技術的能力をさらに高めることができます。対流遷移、温度振動、および液体の表面変形を観察するには、赤外線サーマルカメラと変位センサーを熱電対で使用する必要があります。この手順のデモンストレーションは、私の研究室の技術者である王ジア、ウーディ、胡梁です。まず、直径4ミリメートルの内径と直径20ミリメートルの外径と高さ12ミリメートル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直径20ミリメートルのポリスルホンプレートを使用し、液体注入穴としてプレートの中心から6ミリメートル離れた小さな直径2ミリメートルの穴を掘削します。内側と外側の側壁に鋭い45度角のコーナーを追加し、12ミリメートルを超える高さに内壁と外壁に対してアンチクリープ液体を適用します。次に、働く液体として適切な低粘度シリコーンオイルを選択し、液体を摂氏60度に加熱します。油からガスを排出するには、圧力が200パスカルのすぐ下になるまで液体貯蔵システムの掃除機をかけ、6時間の圧力の150パスカル未満を適用します。その後、バルブを緩和し、シリコーンオイルが気体を使わずに真空ボンベに充填できるようにします。作動液体の注入システムを設定するには、液体の注入および吸引を駆動するステップモーターを選択し、注入システムのオン/オフスイッチを制御するためにソレノイドバルブを適用する。汎用ジョイントを使用してステップモータを液体シリンダーに接続し、4ミリメートルの外径パイプを使用して、液体シリンダー、ソレノイドバルブ、および注入穴を連続的に接続します。測定システムを確立するには、図に示すように、液体プール内に6個の熱電対を配置して、異なるポイントで温度を測定します。赤外線カメラを液体表面の真上に置き、レンズを回転させて焦点を合わせ、液体のない表面の温度場情報を収集します。変位センサーを調整して、液体表面上の特定の対象点の変位を測定し、CCD カメラを使用して液体表面に焦点を合わせます。次に、自由面の変化を記録する。実験を開始するには、実験制御ソフトウェアを起動し、電源ボタンをオンにします。液体注入を行うために、ソレノイド弁に12ボルトを塗布してバルブを開きます。次に、モーターボタンをオンにして2.059ミリメートルのステップでモーターを開始し、10,305ミリリットルのシリコーンオイルを液体プールに注入します。すべてのオイルが供給されたら、ソレノイドバルブを閉じるためのソレノイドバルブの電源を切ります。リニア加熱を行う場合は、暖房目標温度を摂氏50度、冷却目標温度を摂氏15度、1分あたり0.5°Cに設定します。データ収集の場合、赤外線イメージャーのサンプリング周波数を 7.5 ヘルツ、熱電対周波数と変位センサーを 20 ヘルツ、CCD 周波数を 24 ヘルツに設定します。すべてのパラメータが設定されたら、データ収集システムボタンをクリックし、コンピュータソフトウェアの温度、変位、その他の情報を監視します。解析の最後に、電源をオフにします。これらの実験モデルと測定方法は、このペイロードにSJ-10衛星上に集積された。表面波熱キャピラリー対流に関する23の微小重力実験が終了しました。熱キャピラリー対流の液体のない表面上の温度分布のこれらの赤外線熱画像では、放射状振動や時計回りおよび反時計回りの回周回転を含む様々な振動流れパターンが観察される。本代表的な実験では、流体内部の温度は温度差が上昇すると直線的に上昇し、温度差が一定の閾値を超えると温度場は周期的に変動し、熱キャピラリー対流が定常状態から振動状態に発達したことを示す。さらに、このスペクトル解析で示されるように、流動場が進化するにつれて振動温度の振幅が大きくなり、臨界振動周波数が0.064ヘルツであることを示した。小規模地盤システムの浮力対流は弱まったが、流れは依然として熱キャピラリーと浮力の結合であり、宇宙実験結果では異なる結果が観測され、地上実験で得られた結果と比較された。変位センサで測定した液のない表面の変形データと熱電対で測定した流体の温度データを多数比較することにより、流体中の表面変形と温度場が同時に同じ周波数で振動し始めたことも観察された。流体表面の維持と気泡形成のない液体の注入という2つの重要な技術は、実験空間研究において重要な役割を果たします。この研究が、これらの技術を試みることに興味を持つ視聴者に科学的な基礎と技術サポートを提供できることを願っています。

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SJ-10回収衛星における熱キャピラリー対流宇宙実験

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