Name: Thermocapillary Convectie Ruimte Experiment op de SJ-10 Herstelbare Satelliet (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2020-03-11T12:00:00.000+00:00
Duration: 7 min
Description: Ontdek thermocapillaire convectie in microzwaartekracht met behulp van een compacte ruimtelast op de SJ-10 satelliet. Deze methode ondersteunt vloeistofdynamica-onderzoek in de ruimte.

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

Er zijn veel deelnemers die hebben bijgedragen aan het werk gemeld in deze krant, met inbegrip van alle leden van ons projectteam, evenals een aantal mensen van de Astronauten onderzoeks-en opleidingscentrum (ACC) en Neusoft.
Dit werk wordt gefinancierd door het Strategic Priority Research Program on Space Science, Chinese Academy of Sciences: SJ-10 Recoverable Scientific Experiment Satellite (Grant No. XDA04020405 en XDA04020202-05), en door het gezamenlijke fonds van de National Natural Science Foundation of China (U1738116).

1. Ontwerp en voorbereiding van het experimentele systeem
<ol><li>Bouw de ringvormige vloeibare pool.<ol>
<li>Bouw een koperen ringvormige vloeistofpool van Ri = 4 mm in binnendiameter en Ro = 20 mm in buitendiameter en d = 12 mm hoog.</li>
		<li>Gebruik een polysulfoneplaat met een diameter van RP = 20 mm als bodem van de vloeistofpool (zie Materiaaltabel).</li>
		<li>Boor een klein gaatje met een diameter van φ = 2 mm in diameter dicht bij de binnenwand (6 mm verwijderd van het midden van de cirkel) als het vloeibare injectiegat.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Bewaar de interface.<ol>
<li>Voeg scherpe hoeken (45° hoeken) toe aan de binnen- en buitenzijdewanden(figuur 2).</li>
		<li>Breng anti-kruipende vloeistof21 (zie Tabel van Materialen)aan op de binnen- en buitenwanden tot een hoogte van meer dan 12 mm.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Bereid het opslagsysteem van werkende vloeistof voor.<ol>
<li>Kies 2cSt siliconenolie als werkvloeistof (zie Tafel der Materialen).</li>
		<li>Gebruik een hydraulische cilinder als container voor het opslaan van de siliconenolie (zie Tafel van Materialen).</li>
		<li>Injecteer de werkvloeistof in de hydraulische cilinder met behulp van de bubble-free techniek voor de lancering. OPMERKING: Bellen die in de werkvloeistof zijn opgehangen, leiden tot het mislukken van het experiment.<ol>
<li>Ontlaad het gas in de siliconenolie door de vloeistof te verwarmen tot 60 °C en druk toe te passen <150 Pa voor ongeveer 6 uur.</li>
			<li>Vacuüm het vloeistofopslagsysteem tot de druk <200 Pa is.</li>
			<li>Verlicht de klep zodat de siliconenolie de gestofzuigde cilinder zonder gas kan vullen (figuur 3).</li>
		</ol>
</li>
	</ol>
</li>
	<li>Stel het injectiesysteem in voor de werkvloeistof.<ol>
<li>Selecteer een stapmotor om de injectie of zuigkracht van vloeistof aan te drijven (zie Materiaaltabel).</li>
		<li>Breng een solenoïde klep aan om de aan-uitschakelaar van het injectiesysteem te regelen (zie Materiaaltabel).</li>
		<li>Sluit de stapmotor aan op de vloeibare cilinder met behulp van een universele verbinding (figuur 4).</li>
		<li>Sluit de vloeibare cilinder, solenoïde klep en injectiegat achtereenvolgens aan met een pijp van 4 mm in buitendiameter.</li>
	</ol>
</li>
</ol>2. Instelling van het temperatuurcontrolesysteem
<ol><li>Sluit de binnencilinder in met een verwarmingsfolie (weerstand Rt = 14,4 ± 0,5 Ω) en meet de temperatuur Ti met een K-type thermokoppel (zie Tabel met materialen).</li>
	<li>Bevestig symmetrisch zes koelchips (elke twee chips zijn parallel als groep verbonden en drie groepen zijn in een reeks verbonden) op de buitenwand en verkrijg de buitenwandtemperatuur To met behulp van een extra K-type thermokoppel. LET OP: Het temperatuurverschil is ΔT = Ti - To.</li>
</ol>3. Invoering van het meetsysteem
OPMERKING: Alle apparaten kunnen worden bediend door software.
<ol><li>Plaats zes thermokoppels(T1 - T6)in het vloeibare zwembad om de temperatuur op verschillende punten te meten. De gedetailleerde lay-out wordt weergegeven in figuur 5.</li>
	<li>Plaats de infraroodcamera direct boven het vloeibare oppervlak en draai de lens om de focus aan te passen en verzamel de informatie over het temperatuurveld op het vloeistofvrije oppervlak (zie Materiaaltabel).</li>
	<li>Pas de verplaatsingssensor aan om de verplaatsing van een bepaald punt(r = 12 mm) op het vloeibare oppervlak te meten (zie Materiaaltabel). OPMERKING: De laserverplaatsingssensor wordt voor dit laadvermogen gebruikt om een 100 μs high-speed sampling te realiseren, wat een ultrahoge precisiemeetmethode is met een resolutie van 1 μm en een lineariteit van ± 0,1% F.S.</li>
	<li>Gebruik de CCD-camera om zich op het vloeibare oppervlak te concentreren en de verandering van het vrije oppervlak vast te leggen (zie Tabel met materialen, figuur 6). OPMERKING: Het aantal effectieve pixels is 752 x 582 en de minimale verlichting is 1,6 Lux/F2.0.</li>
</ol>4. Experimenteel proces
<ol><li>Start de software voor experimentbesturing en schakel de aan/uit-knop in.</li>
	<li>Voer de vloeibare injectie uit.<ol>
<li>Breng 12 V aan op de solenoïde klep om deze te openen.</li>
		<li>Zet de motorknop aan om de motor een stap van 2.059 mm in te drukken en injecteer 10.305 mL siliconenolie in het vloeibare zwembad.</li>
		<li>Schakel het solenoïde ventielvermogen uit om de solenoïde klep te sluiten.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Voer lineaire verwarming uit.<ol>
<li>Stel de experimentele omstandigheden als volgt vast: verwarmingsstreeftemperatuur Ti = 50 °C; koeldoeltemperatuur To = 15 °C; en verwarmingssnelheid = 0,5 °C/min.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Gegevens verzamelen.<ol>
<li>Stel de overeenkomstige bemonsteringsfrequenties van de infraroodimager, thermokoppels, verplaatsingssensor en CCD in op respectievelijk 7,5 Hz, 20 Hz, 20 Hz en 25 Hz.</li>
		<li>Klik op de knop voor het systeem voor het verzamelen van gegevens en controleer de temperatuur, verplaatsing en andere informatie met behulp van de computersoftware(figuur 7).</li>
	</ol>
</li>
	<li>Schakel de aan/uit-knop uit. LET OP: Wacht 1 uur, zodat de temperaturen van de warme en koude uiteinden gelijk zijn aan de omgevingstemperatuur voor het volgende experiment.</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>

We hebben niets te onthullen.

Door de beperking van de ruimtebronnen bedraagt het volume van de apparatuur als geheel slechts 400 mm × 352 mm × 322 mm, met een gewicht van slechts 22,9 ± 0,2 kg. Dit is erg lastig bij het selecteren en leggen van experimentele apparaten, en de oprichting van het stroomsysteem wordt de kritieke stap. Daarom wordt het toenemende temperatuurverschil ingesteld aan twee uiteinden van de vloeistofpool, zodat de vloeistof een reeks stroomverschijnselen kan genereren. Om het hele proces van de convectie van steady naar oscill...

Onder microzwaartekracht omstandigheden in de ruimte, veel interessante fysieke verschijnselen worden gepresenteerd als gevolg van de afwezigheid van zwaartekracht. In een vloeistof met een vrij oppervlak bestaat een nieuw stroomsysteem (d.w.z. thermocapillaraire stroom) dat wordt veroorzaakt door de temperatuurgradiënt of concentratiegradiënt. Anders dan traditionele convectie op de grond, thermocapillary convectie is een alomtegenwoordig fenomeen in de ruimte omgevingen. Omdat het een zeer belangrijk onderzoeksonderwerp is in microzwaartekrachtvloeistoffysica, zijn er zowel in de ruimte als op de grond een aantal experimenten uitgevoerd. Onlangs werden ruimte experimentele studies uitgevoerd op thermocapillary convectie op de SJ-10 herstelbare wetenschappelijke experiment satelliet. Het laadvermogen van het ruimte-experiment bestond uit acht systemen, namelijk een vloeistofexperimentsysteem, vloeistofopslag- en injectiesysteem, temperatuurbeheersingssysteem, thermokoppelmeetsysteem, infraroodthermische camera, verplaatsingssensoren, CCD-beeldacquisitiesysteem en elektrisch controlesysteem, zoals blijkt uit figuur 1 (links). De ruimte-experiment payload voor onderzoek naar oppervlaktegolven van thermocapillary convectie wordt weergegeven in figuur 1 (rechts). Deze studie richtte zich op de instabiliteit van de stroming, oscillatieverschijnselen en overgangen, die belangrijke kenmerken zijn in het overgangsproces van laminaire stroom naar chaos. Studies over deze fundamentele onderwerpen hebben grote betekenis voor onderzoek met betrekking tot een sterke niet-lineaire stroom.
In tegenstelling tot drijfvermogen convectie aangedreven door volumekracht, thermocapillary convectie is een fenomeen veroorzaakt door oppervlaktespanning binnen de interface tussen twee immiscible vloeistoffen. De omvang van de oppervlaktespanning verandert met enkele scalaire parameters, waaronder temperatuur, solute concentratie, en elektrische veldsterkte. Wanneer deze scalaire velden ongelijk verdelen in de interface, zal er een oppervlaktespanningsgradiënt aanwezig zijn op het vrije oppervlak. De vloeistof op het vrije oppervlak wordt aangedreven door de helling van de oppervlaktespanning om van de locatie met een lagere oppervlaktespanning naar die met een grotere oppervlaktespanning te gaan. Deze stroom werd voor het eerst geïnterpreteerd door een Italiaanse natuurkundige, Carlo Marangoni. Vandaar, werd het genoemd het "effect Marangoni"1. Marangoni stroom op het vrije oppervlak strekt zich uit tot de binnenste vloeistof door viscositeit en als gevolg daarvan genereert wat bekend staat als Marangoni convectie.
Strikt genomen verschijnen voor het vloeistofsysteem met een vrij oppervlak, thermocapillary convectie en drijfvermogenconvectie altijd gelijktijdig onder normale zwaartekracht. In het algemeen, voor een macroscopisch convecective systeem, thermocapillary convectie is een klein effect en wordt meestal genegeerd in vergelijking met drijfvermogen convectie. Echter, onder de voorwaarde van een kleinschalig convectiefsysteem of in de microzwaartekracht omgeving, drijfvermogen convectie zal sterk worden verzwakt, of zelfs verdwijnen, en thermocapillary convectie zal dominant worden in het stroomsysteem. Het onderzoek is lange tijd gericht op het convectie op macroschaal drijfvermogen vanwege de beperkingen in menselijke activiteiten en onderzoeksmethoden2,3,4. Echter, in de afgelopen decennia, met de snelle ontwikkeling van de moderne wetenschap en technologie zoals lucht-en ruimtevaart, film, MEMS, en niet-lineaire wetenschap, de noodzaak van verder onderzoek naar thermocapillary convectie is steeds dringender geworden.
Studies met betrekking tot microzwaartekracht hydrodynamica hebben een belangrijke academische betekenis en toepassingsvooruitzichten. Veel dynamicisten, fysische chemici, biologen en materiaalwetenschappers hebben zich verzameld om op dit gebied te werken. Kamotani en Ostrach voltooiden experimenten op thermocapillary convectie in een ringvormige vloeibare pool onder microzwaartekrachtomstandigheden2,5,6,7,8 en waargenomen gestage stroom, oscillatory flow, en kritieke omstandigheden. Schwabe et al. bestudeerden drijfvermogen-thermocapillary convectie in een gelijkaardige ringvormige vloeibare pool3,9 en vonden dat de oscillatory stroom eerst als thermocapillary golven verscheen, en draaide toen aan een complexere stroom met de verhoging van temperatuurverschil. In 2002 rapporteerden Schwabe en Benz et al. een groep experimenten op thermocapillary convectie in een ringvormige vloeibare pool uitgevoerd op de Russische FOTON-12 satelliet4,10. Hun ruimte experimentele resultaten waren in overeenstemming met de grond experimentele resultaten. Sommige Japanse wetenschappers voerden drie reeksen experimenten op vloeibare brug thermocapillary convectie, genaamd de Marangoni Experiment in Space (MEIS), op het International Space Station11,12,13. Sommige experimentele apparatuur, waaronder de camera, thermische imager, thermocouple sensoren, en 3D-PTV en fotochromische technologie, werden toegepast in deze drie taken. De kritieke omstandigheden van thermocapillary convectie bij verschillende aspectratio's werden bepaald en driedimensionale (3D) stroomstructuren werden waargenomen.
In de afgelopen 30 jaar heeft microzwaartekracht wetenschap een vruchtbare ontwikkeling ondergaan in China14,15,16, en een aantal microzwaartekracht experimenten zijn uitgevoerd in de ruimte17,18. Op het gebied van vloeibare fysica, de eerste microzwaartekracht experiment was de studie van twee-laags vloeistof op de SJ-5 herstelbare satelliet in 1999, en de stroomstructuur werd verkregen door de deeltjes traceermethode14. In 2004 werd de studie naar thermocapillaraire migratie van een druppel uitgevoerd op de SZ-4, en de relatie tussen migratiesnelheid en kritische Mach (Ma) nummer werd verkregen15,16. In 2005 werd de experimentele studie over multi-bubble thermocapillaraire migratie uitgevoerd op de JB-417, en de migratieregels werden verkregen omdat het Ma-aantal werd verhoogd tot 8.000. Ondertussen werden ook problemen als bellen samensmelten bestudeerd. In 2006 werd de studie naar verspreidingsmassaoverdracht uitgevoerd op de SJ-8 herstelbare satelliet, werd de Mach-Zehnder interferometer voor het eerst toegepast in het ruimte-experiment, werd het proces van verspreiding massaoverdracht waargenomen en werd de diffusiecoëfficiënt geëvalueerd18.
In de afgelopen jaren is een reeks grondexperimentele studies uitgevoerd gericht op oscillatie- en bifurcatieprocessen in thermocapillary convectie en het gekoppelde effect van drijfvermogen en thermocapillaraire kracht is geanalyseerd. Uit de experimentele resultaten blijkt dat het drijfvermogeneffect niet kan worden genegeerd in grondexperimenten, aangezien het in veel gevallen een dominante rol speelt in veel gevallen19,20,21,22. In 2016 werden twee microzwaartekrachtexperimenten uitgevoerd om thermocapillary convectie in de vloeibare brug op de TG-2 en thermocapillary convectie in de ringvormige vloeistofpool op de SJ-10 herstelbare satelliet23,24te onderzoeken. Het huidige papier introduceert de experimentele lading van thermocapillary convectie op de SJ10, en de ruimte experiment resultaten. Deze methoden zullen nuttig zijn bij het verkennen van het mechanisme van thermocapillary oscillatie.
Om de convectieve patroonovergang, temperatuuroscillatie en vloeistofvrije oppervlaktevervorming te observeren, zes thermokoppels, een infraroodthermische camera en een verplaatsingssensor om de frequentie, amplitude en andere fysieke hoeveelheden te kwantificeren van de schommeling werden gebruikt. Door onderzoek naar oscillatie en overgang in thermocacapillaire convectie in de ruimte kan het mechanisme van thermocacapaire convectie in de microzwaartekrachtomgeving, die wetenschappelijke richtlijnen biedt voor de groei van materialen in de ruimte, ontdekt en begrepen. Bovendien zullen technologische doorbraken in dergelijke ruimte-experimenten, zoals de technieken van vloeibaar oppervlakteonderhoud en vloeibare injectie zonder bellen, de eenvoud en het technische niveau van microzwaartekrachtexperimenten in vloeistof verder verbeteren Natuurkunde.
Dit document introduceert de payload ontwikkeling en ruimte experiment van de thermocapillary oppervlaktegolf project uitgevoerd op de SJ-10 wetenschappelijke experimentele satelliet. Als een ruimte experiment payload, dit thermocapillary convectie systeem heeft een sterke anti-vibratie vermogen om gewelddadige schok te voorkomen, vooral tijdens de satelliet lancering proces. Om te voldoen aan de vereisten van de bediening op afstand, wordt het ruimte-experimentproces automatisch geregeld en kunnen de experimentele gegevens in de ruimte worden doorgegeven aan het grondsignaalontvangststation van het ruimtevaartuig en vervolgens naar de experimentele Platform.

<table><tbody><tr><td>anti-creeping vloeistof</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>Verplaatsingssensor</td><td>Panasonic</td><td>HL-C1</td><td></td></tr><tr><td>Verwarmingsfilm</td><td>HongYu</td><td>125 Q/W335.1A</td><td></td></tr><tr><td>Hydraulische cilinder</td><td>FESTO</td><td>ADVU-40-25-P-A</td><td></td></tr><tr><td>Infraroodcamera</td><td>FLIR</td><td>Tau2</td><td></td></tr><tr><td>LED</td><td>693 Institute</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>Pijp, 4mm</td><td>FESTO</td><td>PUN-4X0,75-GE</td><td></td></tr><tr><td>polysulfonplaat</td><td>507 Institute</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Koelchip</td><td>Zhongke</td><td>9502/065/021M</td><td></td></tr><tr><td>Silicoonolie, 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>Temperatuurregelaar</td><td>Eurotherm</td><td>3304</td><td></td></tr><tr><td>Thermokoppel, K-type</td><td>North University of China</td><td>ZBDX-HTTK</td><td></td></tr></tbody></table>

thermocapillary convectie ruimte experiment op de sj-10 herstelbare satelliet

Thermocapillary Convection Space Experiment on the SJ-10 Recoverable Satellite

Thermocapillary convectie is een belangrijk onderzoeksonderwerp in microzwaartekracht vloeistoffysica. De experimentele studie over oppervlaktegolven van thermocapillary convectie in een ringvormige vloeibare pool is een van de 19 wetenschappelijke experimentele projecten op de SJ-10 herstelbare satelliet. Gepresenteerd is een ontwerp voor een payload voor ruimte experimentele studie over thermocapillary convectie die het experimentele model, meetsysteem, en controlesysteem omvat. De specifieke kenmerken voor de bouw van een experimenteel model van een ringvormige vloeistofpool met variabele volumeverhoudingen worden verstrekt. De vloeistoftemperaturen worden geregistreerd door zes thermokoppels met een hoge gevoeligheid van 0,05 °C op verschillende punten. De temperatuurverdelingen op het vloeistofvrije oppervlak worden vastgelegd door middel van een infrarood thermische camera. De vervorming van het vrije oppervlak wordt gedetecteerd door een verplaatsingssensor met een hoge nauwkeurigheid van 1 μm. Het experimentele proces is volledig geautomatiseerd. Het onderzoek richt zich op thermocapillaraire oscillatieverschijnselen op het vloeistofvrije oppervlak en convectieve patroonovergangen door middel van analyses van experimentele gegevens en beelden. Dit onderzoek zal nuttig zijn om het mechanisme van thermocapillary convectie te begrijpen en zal verdere inzichten bieden in de niet-lineaire kenmerken, stroominstabiliteit en bifurcatieovergangen van thermocapillary convectie.

De nauwkeurige volumeverhouding werd gedefinieerd en de topografie van het vloeibare oppervlak werd gereconstrueerd op basis van de beelden die door de CCD zijn vastgelegd. De kritieke instabiliteitsvoorwaarde werd bepaald, en de schommelingskenmerken werden bestudeerd door analyses op enig punttemperatuursignalen en verplaatsing scillerende signalen. De structuur van het stroomveld werd verkregen en de overgang van het stroompatroon werd bepaald door de verandering van het infraroodbeeld...

Een protocol voor de ruimte payload ontwerp, de ruimte experiment op thermocapillary convectie, en analyses van experimentele gegevens en beelden worden gepresenteerd in dit papier.

Thermocapillary Convectie Ruimte Experiment op de SJ-10 Herstelbare Satelliet

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

Inzicht in de effecten van oscillatie en splitsing in thermocapillaire convectie is belangrijk voor de studie van een sterke niet-lineaire stroom in de ruimte. Als gevolg van beperkte ruimte middelen en omstandigheden, de experimentele payload moet klein zijn in omvang, licht in gewicht, en beschikken over anti-vibratie vaardigheden. Ruimtetechnologie doorbraken, zoals het uitvoeren van vloeibaar oppervlakteonderhoud en de vloeibare injectie zonder bellen, kunnen de technische capaciteit van microzwaartekrachtexperimenten in vloeibare fysica verder verbeteren.Het observeren van de convectieovergang, temperatuurschommelingen en de oppervlaktevervorming van een vloeistof vereist het gebruik van thermokoppels een infrarood thermische camera en een verplaatsingssensor. Het aantonen van de procedure zal Zijn Wang Jia, Wu Di, en Hu Liang, technici van mijn laboratorium. Begin met de bouw van een koperen ringvormige vloeistofpool met een binnenstraal van vier millimeter in diameter en een buitenstraal van 20 millimeter in diameter en een hoogte van 12 millimeter.Gebruik een polysulfoneplaat met een diameter van 20 millimeter als de bodem van het vloeibare zwembad en boor een klein gat met twee millimeter diameter op zes millimeter afstand van het midden van de plaat als het vloeibare injectiegat. Voeg scherpe hoeken met een hoek van 45 graden toe aan de binnen- en buitenzijde en breng anti-kruipende vloeistof aan op de binnen- en buitenmuren tot een hoogte van meer dan 12 millimeter. Selecteer vervolgens een geschikte siliconenolie met een lage viscositeit als werkvloeistof en verwarm de vloeistof tot 60 graden Celsius.Om gas uit de olie te ontladen, breng minder dan 150 pascalen van druk gedurende zes uur, gevolgd door het stofzuigen van de vloeistofopslag systeem totdat de druk net onder de 200 pascals. Ontlast vervolgens de klep zodat de siliconenolie de gevacuümde cilinder zonder gas kunnen vullen. Als u het injectiesysteem voor de werkende vloeistof wilt instellen, selecteert u een stapmotor om de injectie en zuiging van vloeistof aan te drijven en past u een solenoïde klep aan om de aan/uit-schakelaar van het injectiesysteem te regelen.Gebruik een universele verbinding om de stapmotor aan te sluiten op de vloeibare cilinder en gebruik een pijp met een buitendiameter met een buitendiameter om achtereenvolgens de vloeibare cilinder, solenoïde klep en injectiegat aan te sluiten. Om het meetsysteem vast te stellen, plaatst u zes thermokoppels in de vloeistofpool om de temperaturen op verschillende punten te meten, zoals geïllustreerd in de figuur. Plaats een infraroodcamera direct boven het vloeibare oppervlak en draai de lens om de focus aan te passen en om de informatie over het temperatuurveld op het vloeistofvrije oppervlak te verzamelen.Pas de verplaatsingssensor aan om de verplaatsing van een specifiek punt van belang op het vloeibare oppervlak te meten en gebruik de CCD-camera om zich op het vloeibare oppervlak te concentreren. Neem vervolgens de verandering van het vrije oppervlak op. Als u het experiment wilt starten, start u de software voor het besturingselement voor het experiment en schakelt u de aan/uit-knop in.Om de vloeibare injectie uit te voeren, breng 12 volt aan op de solenoïde klep om de klep te openen. Schakel vervolgens de motorknop in om de motor te starten bij een stap van 2.059 millimeter om 10, 305 milliliter siliconenolie in de vloeistofpool te injecteren. Wanneer alle olie is geleverd, schakelt u de solenoïde klepkracht uit om de solenoïde klep te sluiten.Om lineaire verwarming uit te voeren, stelt u de verwarmingsdoeltemperatuur in op 50 graden Celsius, de koeldoeltemperatuur op 15 graden Celsius en de verwarmingssnelheid op 0,5 graden Celsius per minuut. Stel voor het verzamelen van gegevens de bemonsteringsfrequentie van de infraroodbeeldcamera in op 7,5 hertz, de thermokoppelfrequentie en de verplaatsingssensor op 20 hertz en de CCD-frequentie op 24 hertz. Wanneer alle parameters zijn ingesteld, klikt u op de knop systeem voor het verzamelen van gegevens en controleert u de temperatuur, verplaatsing en andere informatie die van belang is voor de computersoftware.Aan het einde van de analyse, zet de macht uit. Deze experimentele model- en meetmethoden werden geïntegreerd in deze payload op de SJ-10 satelliet. 23 microzwaartekracht experimenten op oppervlaktegolf thermocapillary convectie zijn voltooid.In deze infrarood thermische beelden van de temperatuurverdelingen op een vloeistofvrij oppervlak in thermocapillary convectie, kan een verscheidenheid aan oscillerende stromingspatronen worden waargenomen, waaronder radiale trillingen en met de klok mee en tegen de klok in omtrekrotiële rotaties. In dit representatieve experiment stegen de temperaturen in de vloeistof lineair met een stijging van het temperatuurverschil, waarbij het temperatuurveld periodiek fluctueerde zodra het temperatuurverschil een bepaalde drempel overschreed, wat aangeeft dat de thermocapillaire convectie zich ontwikkelde van een stabiele toestand tot een oscillerende toestand. Bovendien groeide de amplitude van de oscillerende temperatuur naarmate het stroomveld evolueerde, zoals aangegeven in deze spectrumanalyse, waaruit bleek dat de kritische oscillatiefrequentie 0,064 hertz was.Hoewel de drijfvermogen convectie van het kleinschalige grondsysteem werd verzwakt, was de stroom nog steeds een koppeling van thermocapillair en drijfvermogen convecties, met verschillende resultaten waargenomen in de ruimte experiment resultaten, vergeleken resultaten verkregen in grond experimenten. Door een groot aantal vervormingsgegevens te vergelijken voor het vloeistofvrije oppervlak gemeten door de verplaatsingssensor en de temperatuurgegevens van de vloeistof gemeten door de thermokoppels, werd ook waargenomen dat de oppervlaktevervorming en het temperatuurveld in de vloeistof tegelijkertijd en op dezelfde frequentie begonnen te oscilleren. Deze twee sleuteltechnologieën, het behoud van een vloeibaar oppervlak en de injectie van vloeistoffen zonder bellenvorming, spelen een essentiële rol in experiment ruimteonderzoek.We hopen dat het huidige werk een wetenschappelijke basis en technische ondersteuning kan bieden aan kijkers die geïnteresseerd zijn in het proberen van deze technieken.

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

Research

JoVE Journal

Engineering

Techniek

Oppervlaktevernieuwing is een micrometeorologische methode die steeds vaker wordt gebruikt om energiestromen te bepalen, maar de technische complexiteit maakt het voor een breed publiek ontoegankelijk. We beschrijven de stappen die nodig zijn om een oppervlaktevernieuwingsveldstation op te zetten en te kalibreren, om gegevens te verzamelen en te verwerken en om resultaten correct te interpreteren.

Oppervlaktevernieuwing: Een geavanceerde micrometeorologische methode voor het meten en verwerken van gegevens over de energiefluxdichtheid op veldschaal

Een protocol voor het ontwerp en de bouw van een bodem tank gekoppeld aan een kleine klimaat gecontroleerde windtunnel om de effecten van atmosferische forcering bij verdamping studie wordt gepresenteerd. Zowel de bodem tank en windtunnel worden geïnstrumenteerd met sensor technologie voor de continue in situ meten van milieu-omstandigheden.

Het verkennen van de gevolgen van atmosferische forcering bij verdamping: Experimentele Integratie van de atmosferische grenslaag en ondiepe ondergrond

Tinsulfide (SnS) is een kandidaatmateriaal voor op Aarde abundantie, niet-toxische zonnecellen. Hier demonstreren we de fabricageprocedure van de SnS-zonnecellen met behulp van atoomlaagdeposition, wat een gecertificeerde energieconversie-efficiëntie van 4,36% oplevert, en thermische verdamping die 3,88% oplevert.

Het maken van Record-efficiëntie SnS Zonnecellen door thermische verdamping en Atomic Layer Deposition

De ontwikkeling van nieuwe ablatieve materialen en hun numerieke modellering vereist uitgebreid experimenteel onderzoek. Dit protocol beschrijft procedures voor de karakterisering van de materiaalrespons in plasmastromingen, waarbij de kerntechnieken niet-invasieve methoden zijn om de materiaalverkleining te volgen, samen met de chemie in de reactieve grenslaag door emissiespectroscopie.

Emissie spectroscopische Boundary Layer Investigation tijdens Ablatief materiaaltestreactoren in Plasmatron

Met zonne-energie als de drijvende kracht, heeft een nieuwe adsorptie koelsysteem ontwikkeld en experimenteel onderzocht. Waterdamp en zeoliet vormde het paar werken van de adsorptie-systeem. Dit manuscript beschrijft de installatie van het experimentele tuig, de operatie-procedure en de belangrijke resultaten.

Experimenteel systeem van zonne-adsorptie koeling met geconcentreerde Collector

De kinetiek van het koelproces definieert de eigenschappen van Ionische gelen op basis van laag molecuulgewicht gelators. Dit manuscript beschrijft het gebruik van thermische scannen conductometry (TSC), die volledige zeggenschap over het proces van gelering, samen met in situ metingen van de monsters temperatuur en geleidbaarheid verkrijgt.

Thermische Conductometry (TSC) scannen als een algemene methode voor het bestuderen van en het beheren van het gedrag van de fase van geleidende fysieke Gels

De efficiënte Solar-waterstofproductie is recentelijk gerealiseerd op Gefunctionaliseerde halfgeleider-electrocatalyst-systemen in een fotoelektrochemische halfcel in de micro zwaartekrachtomgeving bij de Bremen drop Tower. Hier rapporteren we de experimentele procedures voor het vervaardigen van het halfgeleider-electrocatalyst-apparaat, Details van de experimentele opstelling in de druppel capsule en de experimentele sequentie tijdens vrije val.

Experimentele methoden voor efficiënte productie van zonne-energie waterstof in de omgeving van microzwaartekracht

Het doel van dit protocol is om gesimuleerde hydrothermale schoorstenen te vormen via chemische tuininjectie-experimenten en een thermische gradiënt over het anorganische neerslagmembraan te introduceren, met behulp van een 3D-printbare condensor die kan worden gereproduceerd voor educatieve doeleinden.

Simulatie van vroege hydrothermale schoorstenen in een thermische gradiëntomgeving

CdSe-SnSe nanocomposieten worden geproduceerd door oppervlakte-engineered SnSe-deeltjes te consolideren. Een eenvoudige waterige synthese wordt gebruikt om SnSe-deeltjes te produceren. Het coaten van SnSe-deeltjes met CdSe moleculaire complexen maakt het mogelijk om de korrelgrootte te beheersen en het aantal defecten in het nanocomposiet te vergroten, waardoor de thermische geleidbaarheid wordt verlaagd.

In oplossing verwerkte, oppervlakte-ontworpen, polykristallijne CdSe-SnSe met lage thermische geleidbaarheid

Er wordt een methode beschreven voor het permanent verlijmen van twee siliciumwafels om een uniforme behuizing te realiseren. Dit omvat wafervoorbereiding, reiniging, RT-hechting en gloeiprocessen. De resulterende gebonden wafers (cellen) hebben uniformiteit van de behuizing ~1%1,2. De resulterende geometrie maakt metingen van beperkte vloeistoffen en gassen mogelijk.

Fabricage van uniforme nanoschaalholtes via Silicon Direct Wafer Bonding

Ontdek thermocapillaire convectie in microzwaartekracht met behulp van een compacte ruimtelast op de SJ-10 satelliet. Deze methode ondersteunt vloeistofdynamica-onderzoek in de ruimte.

Thermocapillary Convectie Ruimte Experiment op de SJ-10 Herstelbare Satelliet

Meer video's verkennen