W tym artykule przedstawiono protokół projektowania ładunku kosmicznego, eksperymentu kosmicznego z konwekcją termokapilarną, a także analizy danych eksperymentalnych i obrazów.
Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.
Artykuł metodologiczny
Kosmiczny eksperyment z konwekcją termokapilarną na satelicie SJ-10
* These authors contributed equally
W tym artykule
Podsumowanie
Streszczenie
Konwekcja termokapilarna jest ważnym tematem badań w fizyce płynów mikrograwitacji. Eksperymentalne badania fal powierzchniowych konwekcji termokapilarnej w pierścieniowym basenie cieczy są jednym z 19 eksperymentalnych projektów naukowych dotyczących odzyskiwalnego satelity SJ-10. Przedstawiono projekt ładunku użytecznego do eksperymentalnego badania kosmicznego konwekcji termokapilarnej, który obejmuje model eksperymentalny, system pomiarowy i system sterowania. Przedstawiono specyfikę budowy eksperymentalnego modelu pierścieniowego basenu cieczy o zmiennych proporcjach objętości. Temperatury cieczy są rejestrowane przez sześć termopar o wysokiej czułości 0,05 °C w różnych punktach. Rozkłady temperatur na powierzchni wolnej od cieczy są rejestrowane za pomocą kamery termowizyjnej na podczerwień. Swobodne odkształcenie powierzchni jest wykrywane przez czujnik przemieszczenia z dużą dokładnością 1 μm. Proces eksperymentalny jest w pełni zautomatyzowany. Badania koncentrują się na zjawiskach oscylacji termokapilarnych na powierzchni wolnej od cieczy oraz przejściach wzorca konwekcyjnego poprzez analizę danych eksperymentalnych i obrazów. Badania te będą pomocne w zrozumieniu mechanizmu konwekcji termokapilarnej i dostarczą dalszych informacji na temat charakterystyki nieliniowej, niestabilności przepływu i przejść bifurkacyjnych konwekcji termokapilarnej.
Wprowadzenie
W warunkach mikrograwitacji w kosmosie, wiele interesujących zjawisk fizycznych jest prezentowanych ze względu na brak grawitacji. W cieczy o swobodnej powierzchni występuje nowy układ przepływu (tj. przepływ termokapilarny), który jest spowodowany gradientem temperatury lub gradientem stężenia. W odróżnieniu od tradycyjnej konwekcji naziemnej, konwekcja termokapilarna jest zjawiskiem wszechobecnym w środowisku kosmicznym. Ponieważ jest to bardzo ważny temat badawczy w fizyce płynów w mikrograwitacji, przeprowadzono szereg eksperymentów zarówno w kosmosie, jak i na ziemi. Ostatnio przeprowadzono kosmiczne badania eksperymentalne nad konwekcją termokapilarną na satelic....
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Protokół
1. Projekt i przygotowanie systemu eksperymentalnego
- Zbuduj pierścieniowy basen cieczy.
- Zbuduj miedziany pierścieniowy basen z cieczą o średnicy wewnętrznej R i = 4 mm i Ro = 20 mm średnicy zewnętrznej i d = 12 mm wysokości.
- Jako dno basenu z cieczą należy użyć płytki polisulfonowej o średnicy RP = 20 mm (patrz Tabela materiałów).
- Wywierć mały otwór o średnicy φ = 2 mm blisko wewnętrznej ścianki (6 mm od środka koła) jako otwór do wstrzykiwania cieczy.
- Utrzymuj interfejs.
- Dodaj ostre narożniki....
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Wyniki
Zdefiniowano dokładny stosunek objętości, a topografię powierzchni cieczy zrekonstruowano na podstawie obrazów zarejestrowanych przez CCD. Określono krytyczny warunek niestabilności, a charakterystykę oscylacji zbadano poprzez analizę sygnałów temperatury w pojedynczym punkcie oraz sygnałów oscylacji przemieszczenia. Uzyskano strukturę pola przepływu, a przejście wzorca przepływu określono na podstawie zmian obrazu w podczerwieni w czasie. Charakterystykę przepływu, mechanizm przepływu or.......
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Dyskusja
Ze względu na ograniczone zasoby przestrzenne objętość sprzętu jako całości wynosi zaledwie 400 mm × 352 mm × 322 mm, przy wadze zaledwie 22,9 ± 0,2 kg. Jest to bardzo niewygodne przy wyborze i układaniu urządzeń eksperymentalnych, a ustanowienie systemu przepływu staje się krytycznym krokiem. Dlatego rosnąca różnica temperatur jest ustawiana na dwóch końcach basenu cieczy, dzięki czemu płyn może generować szereg zjawisk przepływu. Aby w jednym eksperymencie zaobserwować cały proces konwekcji od ustalonego do oscylacyjne.......
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Oświadczenia
Nie mamy nic do ujawnienia.
Podziękowania
Jest wielu uczestników, którzy przyczynili się do pracy opisanej w tym artykule, w tym wszyscy członkowie naszego zespołu projektowego, a także niektóre osoby z Centrum Badań i Szkolenia Astronautów (ACC) i Neusoft.
Ta praca jest finansowana przez Strategiczny Priorytetowy Program Badawczy w dziedzinie Nauki o Kosmosie, Chińskiej Akademii Nauk: SJ-10 Recoverable Scientific Experiment Satellite (Grant No. XDA04020405 i XDA04020202-05) oraz przez wspólny fundusz Narodowej Fundacji Nauk Przyrodniczych Chin (U1738116).
....Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Materiały
ciecz
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| przeciwpełzająca | 3M | EGC-1700 | |
| CCD | WATTEC | WAT-230VIVID | |
| Czujnik przemieszczenia | Panasonic | HL-C1 | |
| Folia grzewcza | HongYu | 125 Q / W335.1A Siłownik | |
| hydrauliczny | FESTO | ADVU-40-25-P-A | |
| Kamera termowizyjna | FLIR | Tau2 | |
| LED | 693 Instytut | 10257MW7C | |
| Montor | PI | M-227 | |
| Sterownik Montor | PI | C-863 | |
| Rura, 4mm | FESTO | PUN-4X0,75-GE | |
| płyta polisulfonowa | 507 Instytut | ||
| Układ chłodniczy | Zhongke | 9502/065/021M | |
| Olej silikonowy, 2cSt | Shin-Etsu | KF-96 | |
| Elektromagnes | FESTO | MFH-2-M5 | |
| Regulator temperatury | Eurotherm | 3304 | |
| Termopara, typ K | North University of China | ZBDX-HTTK |
Bibliografia
- 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.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Przedruki i uprawnienia
