Name: Kosmiczny eksperyment z konwekcją termokapilarną na satelicie SJ-10 (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2020-03-11T12:00:00.000+00:00
Duration: 7 min
Description: Poznaj metodę badania konwekcji termokapilarnej w mikrograwitacji na satelicie SJ-10. Protokół obejmuje konstrukcję kompaktowego ładunku, pomiar temperatury termoparami i kamerą termowizyjną oraz analizę oscylacji przepływu cieczy.

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

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).

1. Projekt i przygotowanie systemu eksperymentalnego
<ol>
	<li>Zbuduj pierścieniowy basen cieczy.
	<ol>
		<li>Zbuduj miedziany pierścieniowy basen z cieczą o średnicy wewnętrznej R i = 4 mm i Ro = 20 mm średnicy zewnętrznej i d = 12 mm wysokości.</li>
		<li>Jako dno basenu z cieczą należy użyć płytki polisulfonowej o średnicy RP = 20 mm (patrz Tabela materiałów).</li>
		<li>Wywierć mały otwór o średnicy φ = 2 mm blisko wewnętrznej ścianki (6 mm od środka koła) jako otwór do wstrzykiwania cieczy.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Utrzymuj interfejs.
	<ol>
		<li>Dodaj ostre narożniki (kąt 45°) na wewnętrznych i zewnętrznych ścianach bocznych (<silna klasa="xfig">Rysunek 2).</li>
		<li>Nałóż płyn zapobiegający pełzaniu21 (patrz Tabela materiałów) na ścianach wewnętrznych i zewnętrznych na wysokość większą niż 12 mm.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Przygotuj system przechowywania cieczy roboczej.
	<ol>
		<li>Wybierz olej silikonowy 2cSt jako ciecz roboczą (patrz Tabela materiałów).</li>
		<li>Użyj cylindra hydraulicznego jako pojemnika do przechowywania oleju silikonowego (patrz Tabela materiałów).</li>
		<li>Przed uruchomieniem wstrzyknąć płyn roboczy do cylindra hydraulicznego techniką bez pęcherzyków powietrza. 
		UWAGA: Bąbelki zawieszone w płynie roboczym spowodują niepowodzenie eksperymentu.
		<ol>
			<li>Odprowadzić gaz do oleju silikonowego poprzez podgrzanie cieczy do temperatury 60 °C i przyłożenie ciśnienia <150 Pa przez około 6 godzin.</li>
			<li>Odkurz system przechowywania cieczy, aż jego ciśnienie osiągnie <200 Pa.</li>
			<li>Zwolnij zawór, aby olej silikonowy mógł napełnić odkurzoną butlę bez gazu (<silna klasa="xfig">Rysunek 3).</li>
		</ol>
		</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Ustawić układ wtryskowy dla cieczy roboczej.
	<ol>
		<li>Wybierz silnik krokowy do napędzania wtrysku lub zasysania cieczy (patrz Tabela materiałów).</li>
		<li>Zastosować zawór elektromagnetyczny do sterowania włącznikiem i wyłącznikiem układu wtryskowego (patrz tabela materiałów).</li>
		<li>Podłącz silnik krokowy do cylindra z cieczą za pomocą przegubu uniwersalnego (<silna klasa = "xfig" >Rysunek 4).</li>
		<li>Połączyć kolejno butlę z cieczą, zawór elektromagnetyczny i otwór wtryskowy rurą o średnicy zewnętrznej 4 mm.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
2. Ustanowienie systemu kontroli temperatury
<ol>
	<li>Zanurzyć cylinder wewnętrzny w folii grzewczej (rezystancja Rt = 14,4 ± 0,5 Ω) i zmierzyć temperaturę Ti za pomocą termopary typu K (patrz tabela materiałów).</li>
	<li>Symetrycznie przymocuj sześć chipów chłodniczych (każde dwa chipy są połączone równolegle jako grupa, a trzy grupy są połączone szeregowo) do ściany zewnętrznej i uzyskaj temperaturę ściany zewnętrznej To za pomocą dodatkowej termopary typu K. 
	UWAGA: Różnica temperatur wynosi ΔT = Ti - To.</li>
</ol>
3. Ustanowienie systemu miar
UWAGA: Wszystkie urządzenia mogą być sterowane za pomocą oprogramowania.
<ol>
	<li>Umieść sześć termopar (T1 - T6) w zbiorniku cieczy, aby zmierzyć temperaturę w różnych punktach. Szczegółowy układ jest pokazany w Rysunek 5.</li>
	<li>Umieść kamerę na podczerwień bezpośrednio nad powierzchnią cieczy i obróć obiektyw, aby wyregulować ostrość i zebrać informacje o polu temperatury na powierzchni wolnej od cieczy (patrz Tabela materiałów).</li>
	<li>Wyreguluj czujnik przemieszczenia, aby zmierzyć przemieszczenie określonego punktu (r = 12 mm) na powierzchni cieczy (patrz Tabela materiałów). 
	UWAGA: Laserowy czujnik przemieszczenia jest używany do tego ładunku w celu realizacji szybkiego próbkowania 100 μs, co jest bardzo precyzyjną metodą pomiaru z rozdzielczością 1 μm i liniowością ± 0,1% FS.</li>
	<li>Użyj kamery CCD, aby ustawić ostrość na powierzchni cieczy i zarejestrować zmianę swobodnej powierzchni (patrz Tabela materiałów, <silna klasa="xfig">Rysunek 6). 
	UWAGA: Liczba efektywnych pikseli wynosi 752 x 582, a minimalne oświetlenie to 1,6 luksa/F2,0.</li>
</ol>
4. Proces eksperymentalny
<ol>
	<li>Uruchom oprogramowanie sterujące eksperymentem i włącz przycisk zasilania.</li>
	<li>Wykonaj wstrzyknięcie cieczy.
	<ol>
		<li>Zastosuj 12 V na zaworze elektromagnetycznym, aby go otworzyć.</li>
		<li>Włącz przycisk silnika, aby popchnąć silnik w kroku 2.059 mm i wstrzyknij 10 305 ml oleju silikonowego do basenu z płynem.</li>
		<li>Wyłącz zasilanie zaworu elektromagnetycznego, aby zamknąć zawór elektromagnetyczny.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Wykonaj ogrzewanie liniowe.
	<ol>
		<li>Ustawić warunki doświadczalne w następujący sposób: temperatura celu ogrzewania T i = 50 °C; temperatura celu chłodzenia To = 15 °C; oraz szybkość ogrzewania = 0,5 °C/min.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Zbieranie danych.
	<ol>
		<li>Ustaw odpowiednie częstotliwości próbkowania kamery w podczerwieni, termopar, czujnika przemieszczenia i CCD odpowiednio na 7.5 Hz, 20 Hz, 20 Hz i 25 Hz.</li>
		<li>Kliknij przycisk systemu zbierania danych i monitoruj temperaturę, przemieszczenie i inne informacje za pomocą oprogramowania komputerowego (<silna klasa="xfig">Rysunek 7).</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Wyłącz przycisk zasilania. 
	UWAGA: Odczekaj 1 godzinę, aby temperatura gorących i zimnych końców była równa temperaturze otoczenia dla następnego eksperymentu.</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>

Nie mamy nic do ujawnienia.

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...

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 satelicie do eksperymentów naukowych SJ-10. Ładunek eksperymentu kosmicznego składał się z ośmiu systemów, a mianowicie systemu eksperymentowania z płynami, systemu magazynowania i wtryskiwania cieczy, systemu kontroli temperatury, systemu pomiaru termopary, kamery termowizyjnej na podczerwień, czujników przemieszczenia, systemu akwizycji obrazu CCD i elektrycznego systemu sterowania, jak pokazano na rysunku 1 (po lewej). Ładunek eksperymentu kosmicznego do badań nad powierzchniowymi falami konwekcji termokapilarnej pokazano na rysunku 1 (po prawej). Badania te koncentrowały się na niestabilności przepływu, zjawiskach oscylacji i przejściach, które są ważnymi cechami w procesie przejścia od przepływu laminarnego do chaosu. Badania nad tymi fundamentalnymi tematami mają ogromne znaczenie dla badań nad silnym przepływem nieliniowym.
W przeciwieństwie do konwekcji wyporu napędzanej siłą objętości, konwekcja termokapilarna jest zjawiskiem spowodowanym napięciem powierzchniowym na granicy między dwoma niemieszającymi się płynami. Wielkość napięcia powierzchniowego zmienia się wraz z niektórymi parametrami skalarnymi, w tym temperaturą, stężeniem substancji rozpuszczonej i natężeniem pola elektrycznego. Gdy te pola skalarne rozprowadzają się nierównomiernie w interfejsie, na swobodnej powierzchni będzie obecny gradient napięcia powierzchniowego. Płyn na swobodnej powierzchni jest napędzany przez gradient napięcia powierzchniowego, aby przemieszczać się z miejsca o mniejszym napięciu powierzchniowym do miejsca o większym napięciu powierzchniowym. Przepływ ten został po raz pierwszy zinterpretowany przez włoskiego fizyka, Carlo Marangoni. Stąd nazwano go "efektem Marangoni"1. Przepływ marangoni na swobodnej powierzchni rozciąga się na wewnętrzną ciecz pod wpływem lepkości i w rezultacie generuje tak zwaną konwekcję Marangoni.
Ściśle mówiąc, dla układu płynów z wolną powierzchnią, konwekcja termokapilarna i konwekcja wyporu zawsze występują jednocześnie w normalnej grawitacji. Ogólnie rzecz biorąc, w przypadku makroskopowego układu konwekcyjnego konwekcja termokapilarna jest niewielkim efektem i jest zwykle ignorowana w porównaniu z konwekcją wyporu. Jednak w warunkach konwekcji na małą skalę lub w środowisku mikrograwitacji konwekcja wyporu zostanie znacznie osłabiona lub nawet zniknie, a konwekcja termokapilarna stanie się dominująca w systemie przepływowym. Przez długi okres czasu badania koncentrowały się na konwekcji wyporu w skali makro ze względu na ograniczenia w działalności człowieka i metodach badawczych2,3,4. Jednak w ostatnich dziesięcioleciach, wraz z szybkim rozwojem nowoczesnej nauki i technologii, takiej jak lotnictwo, film, MEMS i nauka nieliniowa, potrzeba dalszych badań nad konwekcją termokapilarną staje się coraz pilniejsza.
Badania dotyczące hydrodynamiki mikrograwitacji mają ważne znaczenie akademickie i perspektywy zastosowania. Wielu dynamików, fizykochemików, biologów i materiałoznawców zebrało się, aby pracować w tej dziedzinie. Kamotani i Ostrach przeprowadzili eksperymenty nad konwekcją termokapilarną w pierścieniowym basenie cieczy w warunkach mikrograwitacji2,5,6,7,8 i zaobserwowali stały przepływ, przepływ oscylacyjny i warunki krytyczne. Schwabe i in. badali konwekcję wyporowo-termokapilarną w podobnym pierścieniowym basenie cieczy3,9 i odkryli, że przepływ oscylacyjny najpierw pojawił się jako fale termokapilarne, a następnie zmienił się w bardziej złożony przepływ wraz ze wzrostem różnicy temperatur. W 2002 roku Schwabe i Benz i in. opisali grupę eksperymentów dotyczących konwekcji termokapilarnej w pierścieniowym basenie cieczy, przeprowadzonych na rosyjskim satelicie FOTON-124,10. Wyniki ich eksperymentów kosmicznych były zgodne z wynikami eksperymentów naziemnych. Niektórzy japońscy naukowcy przeprowadzili trzy serie eksperymentów nad konwekcją termokapilarną mostka cieczowego, nazwane Eksperymentem Marangoni w Kosmosie (MEIS), na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej11,12,13. W tych trzech zadaniach zastosowano część sprzętu eksperymentalnego, w tym kamerę, kamerę termowizyjną, czujniki termoparowe oraz technologię 3D-PTV i fotochromową. Określono krytyczne warunki konwekcji termokapilarnej przy różnych proporcjach oraz zaobserwowano trójwymiarowe (3D) struktury przepływowe.
W ciągu ostatnich 30 lat nauka o mikrograwitacji była intensywnie rozwijana w Chinach14,15,16, a wiele eksperymentów mikrograwitacji zostało przeprowadzonych w kosmosie17,18. W dziedzinie fizyki płynów pierwszym eksperymentem mikrograwitacji było badanie dwuwarstwowego płynu na odzyskiwalnym satelicie SJ-5 w 1999 roku, a strukturę przepływu uzyskano metodą śledzenia cząstek14. W 2004 roku przeprowadzono badania nad termokapilarną migracją kropli na SZ-4 i uzyskano zależność między prędkością migracji a krytyczną liczbą Macha (Ma)15,16. W 2005 roku przeprowadzono eksperymentalne badania nad wielopęcherzykową migracją termokapilarną na JB-417, a reguły migracji uzyskano w miarę zwiększania liczby Ma do 8 000. W międzyczasie badano również takie problemy, jak łączenie się baniek. W 2006 roku przeprowadzono badania nad dyfuzyjnym transferem masy na satelicie odzyskiwalnym SJ-8, interferometr Macha-Zehndera został po raz pierwszy zastosowany w eksperymencie kosmicznym, zaobserwowano proces dyfuzyjnego transferu masy i oceniono współczynnik dyfuzji18.
W ostatnich latach przeprowadzono serię badań eksperymentalnych na temat procesów oscylacji i bifurkacji w konwekcji termokapilarnej, a także przeanalizowano sprzężony wpływ wyporu i siły termokapilarnej. Wyniki eksperymentów pokazują, że efekt wyporu nie może być ignorowany w eksperymentach naziemnych, ponieważ w wielu przypadkach odgrywa on dominującą rolę19,20,21,22. W 2016 roku przeprowadzono dwa eksperymenty mikrograwitacyjne w celu zbadania konwekcji termokapilarnej w mostku cieczowym na TG-2 oraz konwekcji termokapilarnej w pierścieniowym basenie cieczy na satelicie odzyskiwalnym SJ-1023,24. Niniejszy artykuł przedstawia eksperymentalny ładunek konwekcji termokapilarnej na SJ10 oraz wyniki eksperymentu kosmicznego. Metody te będą pomocne w zbadaniu mechanizmu oscylacji termokapilarnej.
Aby obserwować przejście wzorca konwekcyjnego, oscylację temperatury i deformację powierzchni bez cieczy, użyto sześciu termopar, kamery termowizyjnej na podczerwień i czujnika przemieszczenia do ilościowego określenia częstotliwości, amplitudy i innych fizycznych wielkości oscylacji. Dzięki badaniom nad oscylacjami i przejściami w konwekcji termokapilarnej w kosmosie, można odkryć i zrozumieć mechanizm konwekcji termokapilarnej w środowisku mikrograwitacji, który dostarcza naukowych wskazówek dla wzrostu materiałów w kosmosie. Co więcej, przełomowe odkrycia technologiczne w takich eksperymentach kosmicznych, takie jak techniki utrzymywania powierzchni cieczy i wstrzykiwania cieczy bez pęcherzyków, jeszcze bardziej zwiększą prostotę i poziom techniczny eksperymentów mikrograwitacji w fizyce płynów.
Ten artykuł przedstawia rozwój ładunku użytecznego i eksperyment kosmiczny projektu termokapilarnego falowania powierzchniowego przeprowadzonego na eksperymentalnym satelicie naukowym SJ-10. Jako ładunek do eksperymentów kosmicznych, ten termokapilarny system konwekcyjny ma silną zdolność antywibracyjną, aby zapobiec gwałtownym wstrząsom, szczególnie podczas procesu wystrzeliwania satelity. Aby spełnić wymagania zdalnej obsługi, proces eksperymentu kosmicznego jest kontrolowany automatycznie, a dane z eksperymentów kosmicznych mogą być przesyłane do naziemnej stacji odbiorczej sygnału statku kosmicznego, a następnie do platformy eksperymentalnej naukowców.

ciecz <table><tbody><tr><td>przeciwpełzająca</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>Czujnik przemieszczenia</td><td>Panasonic</td><td>HL-C1</td><td></td></tr><tr><td>Folia grzewcza</td><td>HongYu</td><td>125 Q / W335.1A Siłownik</td><td></td></tr><tr><td>hydrauliczny</td><td>FESTO</td><td>ADVU-40-25-P-A</td><td></td></tr><tr><td>Kamera termowizyjna</td><td>FLIR</td><td>Tau2</td><td></td></tr><tr><td>LED</td><td>693 Instytut</td><td>10257MW7C</td><td></td></tr><tr><td>Montor</td><td>PI</td><td>M-227</td><td></td></tr><tr><td>Sterownik Montor</td><td>PI</td><td>C-863</td><td></td></tr><tr><td>Rura, 4mm</td><td>FESTO</td><td>PUN-4X0,75-GE</td><td></td></tr><tr><td>płyta polisulfonowa</td><td>507 Instytut</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Układ chłodniczy</td><td>Zhongke</td><td>9502/065/021M</td><td></td></tr><tr><td>Olej silikonowy, 2cSt</td><td>Shin-Etsu</td><td>KF-96</td><td></td></tr><tr><td>Elektromagnes</td><td>FESTO</td><td>MFH-2-M5</td><td></td></tr><tr><td>Regulator temperatury</td><td>Eurotherm</td><td>3304</td><td></td></tr><tr><td>Termopara, typ K</td><td>North University of China</td><td>ZBDX-HTTK</td><td></td></tr></tbody></table>

kosmiczny eksperyment z konwekcją termokapilarną na satelicie sj-10

Thermocapillary Convection Space Experiment on the SJ-10 Recoverable Satellite

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.

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...

W tym artykule przedstawiono protokół projektowania ładunku kosmicznego, eksperymentu kosmicznego z konwekcją termokapilarną, a także analizy danych eksperymentalnych i obrazów.

Kosmiczny eksperyment z konwekcją termokapilarną na satelicie SJ-10

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

Zrozumienie wpływu oscylacji i bifurkacji w konwekcji termokapilarnej jest ważne dla badania silnego nieliniowego przepływu w przestrzeni. Ze względu na ograniczone zasoby i warunki przestrzenne, eksperymentalny ładunek powinien być niewielkich rozmiarów, lekki i posiadać zdolności antywibracyjne. Przełomowe odkrycia w technologii kosmicznej, takie jak konserwacja powierzchni cieczy i wtryskiwanie cieczy bez pęcherzyków powietrza, mogą jeszcze bardziej zwiększyć możliwości techniczne eksperymentów mikrograwitacji w fizyce płynów.Obserwacja przejścia konwekcyjnego, oscylacji temperatury i deformacji powierzchni cieczy wymaga zastosowania termopar, kamery termowizyjnej na podczerwień i czujnika przemieszczenia. Procedurę zademonstrują Wang Jia, Wu Di i Hu Liang, technicy z mojego laboratorium. Zacznij od zbudowania miedzianego pierścieniowego basenu z cieczą o promieniu wewnętrznym czterech milimetrów średnicy i promieniu zewnętrznym 20 milimetrów średnicy i wysokości 12 milimetrów.Użyj płytki polisulfonowej o średnicy 20 milimetrów jako dna basenu z płynem i wywierć mały otwór o średnicy dwóch milimetrów sześć milimetrów od środka płytki jako otwór do wstrzykiwania cieczy. Dodaj ostre rogi pod kątem 45 stopni na wewnętrznych i zewnętrznych ścianach bocznych i nałóż płyn zapobiegający pełzaniu na wewnętrzne i zewnętrzne ściany na wysokość większą niż 12 milimetrów. Następnie wybierz odpowiedni olej silikonowy o niskiej lepkości jako płyn roboczy i podgrzej ciecz do 60 stopni Celsjusza.Aby usunąć gaz z oleju, należy zastosować ciśnienie mniejsze niż 150 paskali przez sześć godzin, a następnie odkurzyć system przechowywania cieczy, aż ciśnienie osiągnie nieco poniżej 200 paskalów. Następnie zwolnij zawór, aby olej silikonowy mógł napełnić odkurzoną butlę bez gazu. Aby skonfigurować układ wtryskowy dla cieczy roboczej, należy wybrać silnik krokowy do sterowania wtryskiem i zasysaniem cieczy oraz zastosować zawór elektromagnetyczny do sterowania włącznikiem/wyłącznikiem układu wtryskowego.Użyj uniwersalnego przegubu, aby połączyć silnik krokowy z cylindrem z cieczą i użyj rury o średnicy zewnętrznej czterech milimetrów, aby kolejno połączyć cylinder z cieczą, zawór elektromagnetyczny i otwór wtryskowy. Aby ustanowić system pomiarowy, umieść sześć termopar w zbiorniku cieczy, aby zmierzyć temperatury w różnych punktach, jak pokazano na rysunku. Umieść kamerę na podczerwień bezpośrednio nad powierzchnią cieczy i obróć soczewkę, aby wyregulować ostrość i zebrać informacje o polu temperatury na powierzchni wolnej od cieczy.Wyreguluj czujnik przemieszczenia, aby zmierzyć przemieszczenie określonego punktu zainteresowania na powierzchni cieczy i użyj kamery CCD, aby ustawić ostrość na powierzchni cieczy. Następnie zapisz zmianę wolnej powierzchni. Aby rozpocząć eksperyment, uruchom oprogramowanie sterujące eksperymentem i włącz przycisk zasilania.Aby wykonać wtrysk cieczy, przyłóż 12 woltów do zaworu elektromagnetycznego, aby otworzyć zawór. Następnie włącz przycisk silnika, aby uruchomić silnik z krokiem 2.059 milimetra, aby wstrzyknąć 10 305 mililitrów oleju silikonowego do basenu cieczy. Po dostarczeniu całego oleju wyłącz zasilanie elektrozaworu, aby zamknąć elektrozawór.Aby wykonać ogrzewanie liniowe, ustaw temperaturę celu grzewczego na 50 stopni Celsjusza, temperaturę celu chłodzenia na 15 stopni Celsjusza, a szybkość ogrzewania na 0,5 stopnia Celsjusza na minutę. W celu zbierania danych ustaw częstotliwość próbkowania kamery w podczerwieni na 7,5 Hz, częstotliwość termopary i czujnika przemieszczenia na 20 Hz, a częstotliwość CCD na 24 Hz. Po ustawieniu wszystkich parametrów kliknij przycisk systemu zbierania danych i monitoruj temperaturę, przemieszczenie i inne interesujące informacje w oprogramowaniu komputerowym.Po zakończeniu analizy wyłącz zasilanie. Ten eksperymentalny model i metody pomiarowe zostały zintegrowane z tym ładunkiem na satelicie SJ-10. Zakończono 23 eksperymenty mikrograwitacyjne na termokapilarnej konwekcji termokapilarnej na falach powierzchniowych.Na tych podczerwonych obrazach termicznych rozkładów temperatury na powierzchni wolnej od cieczy w konwekcji termokapilarnej można zaobserwować różne wzorce przepływu oscylacyjnego, w tym oscylacje promieniowe oraz obroty obwodowe w kierunku zgodnym z ruchem wskazówek zegara i przeciwnie do ruchu wskazówek zegara. W tym reprezentatywnym eksperymencie temperatury wewnątrz płynu rosły liniowo wraz ze wzrostem różnicy temperatur, przy czym pole temperatury wahało się okresowo, gdy różnica temperatur przekroczyła pewien próg, co wskazuje, że konwekcja termokapilarna rozwinęła się ze stanu ustalonego do stanu oscylacyjnego. Ponadto amplituda temperatury oscylacji rosła wraz z ewolucją pola przepływu, jak wskazano w tej analizie widma, pokazując, że krytyczna częstotliwość oscylacji wynosiła 0,064 herca.Chociaż konwekcja wyporu w małym systemie naziemnym była osłabiona, przepływ nadal był sprzężeniem konwekcji termokapilarnej i wyporności, z różnymi wynikami obserwowanymi w wynikach eksperymentów kosmicznych, porównywanymi wynikami uzyskanymi w eksperymentach naziemnych. Porównując dużą liczbę danych dotyczących odkształceń dla powierzchni wolnej od cieczy zmierzonych przez czujnik przemieszczenia z danymi dotyczącymi temperatury płynu mierzonymi przez termopary, zaobserwowano również, że odkształcenie powierzchni i pole temperatury w płynie zaczęły oscylować w tym samym czasie i z tą samą częstotliwością. Te dwie kluczowe technologie, utrzymanie powierzchni płynu i wstrzykiwanie cieczy bez tworzenia się pęcherzyków, odgrywają zasadniczą rolę w eksperymentalnych badaniach kosmicznych.Mamy nadzieję, że niniejsza praca może stanowić podstawę naukową i wsparcie techniczne dla widzów zainteresowanych wypróbowaniem tych technik.

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

Research

JoVE Journal

Engineering

Inżynieria

Odnawianie powierzchni to metoda mikrometeorologiczna, która jest coraz częściej używana do określania strumieni energii, ale jej techniczna złożoność czyni ją niedostępną dla szerokiego grona odbiorców. Opisujemy kroki niezbędne do skonfigurowania i skalibrowania stacji terenowej do odnawiania powierzchni, do pozyskiwania i przetwarzania danych oraz do prawidłowej interpretacji wyników.

Odnawianie powierzchni: zaawansowana metoda mikrometeorologiczna do pomiaru i przetwarzania danych o gęstości strumienia energii w skali pola

Przedstawiono protokół projektowania i budowy zbiornika gruntowego połączonego z małym tunelem aerodynamicznym z kontrolowanym klimatem w celu zbadania wpływu wymuszeń atmosferycznych na parowanie. Zarówno zbiornik glebowy, jak i tunel aerodynamiczny są wyposażone w technologie czujników do ciągłego pomiaru warunków środowiskowych in situ.

Badanie wpływu wymuszeń atmosferycznych na parowanie: eksperymentalna integracja atmosferycznej warstwy granicznej i płytkiej warstwy podpowierzchniowej

Siarczek cyny (SnS) jest materiałem kandydującym na nietoksyczne ogniwa słoneczne występujące w dużych ilościach na Ziemi. Tutaj demonstrujemy procedurę wytwarzania ogniw słonecznych SnS wykorzystującą osadzanie warstw atomowych, które daje 4,36% certyfikowaną sprawność konwersji energii, oraz parowanie termiczne, które daje 3,88%.

Wytwarzanie rekordowo wydajnych ogniw słonecznych SnS metodą termicznego odparowywania i osadzania warstw atomowych

Opracowanie nowych materiałów ablacyjnych i ich modelowanie numeryczne wymaga szeroko zakrojonych badań eksperymentalnych. Protokół ten opisuje procedury charakterystyki odpowiedzi materiału w przepływach plazmy, przy czym podstawowe techniki są nieinwazyjnymi metodami śledzenia recesji materiału wraz z chemią w reaktywnej warstwie granicznej za pomocą spektroskopii emisyjnej.

Badanie warstwy granicznej metodą spektroskopowej emisji podczas badania materiału ablacyjnego w plazmatronie

Z energią słoneczną jako siłą napędową, opracowano i eksperymentalnie zbadano nowatorski adsorpcyjny system chłodzenia. Para wodna i zeolit tworzyły parę roboczą układu adsorpcyjnego. Manuskrypt ten opisuje konfigurację stanowiska doświadczalnego, procedurę operacyjną i ważne wyniki.

Eksperymentalny system chłodzenia adsorpcyjnego z kolektorem skoncentrowanym

Kinetyka procesu chłodzenia określa właściwości żeli jonowych opartych na żelatorach o niskiej masie cząsteczkowej. W artykule opisano zastosowanie termoskaningowej konduktometrii (TSC), która zapewnia pełną kontrolę nad procesem żelowania, wraz z pomiarami in situ temperatury i przewodności próbek.

Termoskaningowa konduktometria (TSC) jako ogólna metoda badania i kontrolowania zachowania fazowego przewodzących żeli fizycznych

Efektywna produkcja energii słonecznej i wodoru została niedawno zrealizowana na funkcjonalizowanych systemach półprzewodnikowo-elektrokatalitycznych w fotoelektrochemicznym półogniwie w środowisku mikrograwitacji w Bremen Drop Tower. W tym miejscu przedstawiamy procedury eksperymentalne dotyczące wytwarzania urządzenia półprzewodnikowo-elektrokatalitycznego, szczegóły dotyczące konfiguracji eksperymentalnej w kapsule kroplowej oraz sekwencję eksperymentalną podczas swobodnego spadania.

Eksperymentalne metody efektywnej produkcji wodoru słonecznego w środowisku mikrograwitacji

Celem tego protokołu jest tworzenie symulowanych kominów hydrotermalnych za pomocą eksperymentów z wstrzykiwaniem w ogrodzie chemicznym i wprowadzenie gradientu termicznego przez nieorganiczną membranę osadu, za pomocą kondensatora do druku 3D, który można odtworzyć w celach edukacyjnych.

Symulacja kominów hydrotermalnych wczesnej Ziemi w środowisku gradientu termicznego

Nanokompozyty CdSe-SnSe są wytwarzane przez konsolidację cząstek SnSe zaprojektowanych powierzchniowo. Do produkcji cząstek SnSe stosuje się prostą syntezę wodną. Powlekanie cząstek SnSe kompleksami molekularnymi CdSe pozwala na kontrolowanie wielkości ziaren i zwiększenie liczby defektów występujących w nanokompozycie, a tym samym obniżenie przewodnictwa cieplnego.

Polikrystaliczny CdSe-SNSE o niskiej przewodności cieplnej poddany obróbce w roztworze, poddany inżynierii powierzchniowej

Opisano metodę trwałego łączenia dwóch płytek krzemowych w celu uzyskania jednolitej obudowy. Obejmuje to przygotowanie płytek, czyszczenie, klejenie RT i procesy wyżarzania. Powstałe połączone płytki (komórki) mają jednorodność obudowy ~1%1,2. Uzyskana geometria pozwala na pomiary zamkniętych cieczy i gazów.

Wytwarzanie jednolitych wnęk w nanoskali za pomocą bezpośredniego łączenia płytek krzemowych

Poznaj metodę badania konwekcji termokapilarnej w mikrograwitacji na satelicie SJ-10. Protokół obejmuje konstrukcję kompaktowego ładunku, pomiar temperatury termoparami i kamerą termowizyjną oraz analizę oscylacji przepływu cieczy.

Kosmiczny eksperyment z konwekcją termokapilarną na satelicie SJ-10

Przeglądaj więcej filmów