Waiting
Processando Login

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

ניסוי בחלל החום התרמונימי על לווין ההשבה של SJ-10

Published: March 11, 2020 doi: 10.3791/59998
Automatic Translation
*1,2, *3, *1, 1,2, 1, 1, 1, 1
1National Microgravity Laboratory, Institute of Mechanics, Chinese Academy of Sciences, 2School of Engineering Sciences, University of Chinese Academy of Sciences, 3China Astronaut Research and Training Center
* These authors contributed equally

Summary

פרוטוקול לעיצוב החלל, ניסוי החלל על הסעה תרמוקפילר, וניתוחים של נתונים ניסיוניים ותמונות מוצגים בנייר זה.

Abstract

הסעה תרמו-קפילר היא נושא מחקרי חשוב בפיזיקת הנוזלים המיקרוגרוטציה. המחקר הניסיוני על פני השטח של הסעה תרמו קפילר בבריכה נוזל טבעתי הוא אחד 19 הפרויקטים ניסיוני מדעי על הלווין SJ-10 ההשבה. מוצג הוא עיצוב של מטען למחקר ניסיוני בחלל על הסעה התרמוקפילר הכולל את המודל הניסיוני, מערכת המדידה, מערכת בקרה. הפרטים על בניית מודל ניסיוני של בריכה נוזלית טבעתי עם יחס נפח משתנה מסופק. טמפרטורות הנוזלים נרשמות על ידי שישה זוגות תרמיים בעלי רגישות גבוהה של 0.05 ° c בנקודות שונות. הפצות הטמפרטורה על משטח הנוזלים הנוזלי נלכדים באמצעות מצלמה תרמית אינפרא-אדום. דפורמציה משטח חופשי מזוהה על ידי חיישן הזחה עם דיוק גבוה של 1 μm. התהליך הניסיוני הוא אוטומטי לחלוטין. המחקר מתמקד בתופעת תנודות התרמוקפיליות על פני השטח נטול הנוזלים ומעברי דפוס באמצעות ניתוח של נתונים ודימויים ניסיוניים. מחקר זה יהיה מועיל להבין את המנגנון של הסעה התרמו-קפילר ויציע תובנות נוספות למאפיינים לא ליניאריים, לאי-יציבות של זרימה ולמעברים באמצעות מעבר של הסעה תרמוקפילר.

Introduction

בתנאים מיקרו כבידה בחלל, תופעות פיזיות מעניינות רבות מוצגות בשל היעדר כוח הכבידה. בנוזל עם משטח חופשי, קיימת מערכת זרימה חדשה (כלומר זרימה תרמוקפילר) הנגרמת על ידי הטמפרטורה הדרגתי או ריכוז הדרגתי. שונה הסעה מסורתית על הקרקע, הסעה תרמוקפילר היא תופעה בכל מקום בסביבות החלל. כפי שהוא נושא מחקר חשוב מאוד בפיסיקה נוזל הכבידה microgravity מספר ניסויים נעשו בחלל, כמו גם על הקרקע. לאחרונה, מחקרים ניסיוניים שטח בוצעו על הסעה תרמו קפילר על הלווין SJ-10 ניסוי מדעי ההשבה. המשימה שטח הניסוי כללה שמונה מערכות, כלומר מערכת ניסוי נוזלים, אחסון נוזלי ומערכת הזרקה, מערכת בקרת טמפרטורה, מערכת מדידה תרמותרמיים, אינפרא אדום תרמית מצלמה, חיישני תזוזה, מערכת רכישת תמונה CCD, מערכת בקרת חשמל, כפי שמוצג באיור 1 (משמאל). מנת השטח של הניסוי למחקר על גלי פני השטח של הסעה תרמוקפילר מוצג באיור 1 (מימין). מחקר זה התמקד בחוסר היציבות של הזרימה, תופעת התנודות והמעברים, שהם מאפיינים חשובים בתהליך המעבר מזרימה מבינשכבתית ועד תוהו ובוהו. למחקרים על נושאים בסיסיים אלה יש חשיבות רבה למחקר בנוגע לזרימה חזקה לינארית.

שלא כמו הסעה לציפה המונעת על ידי כוח הנפח, הסעה תרמוקפילר היא תופעה הנגרמת על ידי מתח פני השטח בתוך הממשק בין שני נוזלים immiscible. הגודל של מתח פני השטח משתנה עם פרמטרים סקלריים, כולל טמפרטורה, ריכוז מסיסות וחוזק שדה חשמלי. כאשר שדות סקלריים אלה מפיצים באופן שווה בממשק, תהיה מעבר הדרגתי של מתח פני השטח על פני השטח החופשי. הנוזל על פני השטח החופשי מונע על ידי מעבר מתח הדרגתי כדי לעבור מהמיקום עם מתח משטח נמוך יותר עם מתח פני שטח גדול יותר. זרם זה התפרש לראשונה על ידי פיזיקאי איטלקי, קרלו מאראנגוני. מכאן, הוא נקרא "אפקט מראנגוני"1. זרימת marangoni על משטח חופשי משתרע על הנוזל הפנימי על ידי צמיגות וכתוצאה מכך מייצר את מה שמכונה הסעה Marangoni.

באופן מדויק, עבור מערכת הנוזלים עם משטח חופשי, הסעה תרמו קפילר והסעה ציפה תמיד מופיעים בו זמנית תחת כבידה נורמלית. באופן כללי, עבור מערכת הקמיסקופיות המקרו, הסעה תרמוקפילר היא השפעה משנית והיא מתעלמת בדרך כלל בהשוואה להסעת ציפה. עם זאת, במצב של מערכת הקמיג'מיות הקטנה או בסביבה המיקרוכבידה, הסעה לציפה תהיה חלשה מאוד, או אפילו תיעלם, והסעה תרמוקפילר תהיה דומיננטית במערכת הזרימה. במשך תקופה ארוכה, המחקר התמקד הסעה בקנה מידה מאקרו הציפה בשל המגבלות של פעילות האדם ושיטות מחקר2,3,4. עם זאת, בעשורים האחרונים, עם התפתחות מהירה של המדע המודרני וטכנולוגיה כגון אווירונאוטיקה, קולנוע, MEMS, ומדע לא לינארית, הצורך במחקר נוסף על הסעה התרמוקפילר הפך דחוף יותר ויותר.

ללימודים בנושא הידרודינמיקה המיקרוגרוטציה יש משמעות אקדמאית חשובה והזדמנויות ליישום. הרבה מדענים, כימאים פיזיים, ביולוגים ומדעני חומרים התאספו לעבודה בתחום זה. קמיטני ואוסטרץ ' השלימו ניסויים על הסעה תרמוקפילר במאגר נוזלי טבעתי תחת תנאים2מיקרו-כבידה 2,5,6,7,8 ונצפתה זרימה יציבה, זרימה מנדנוד, ותנאים קריטיים. Schwabe ואח ' למד הסעה קליל-התרמוקפילר בתוך בריכה בעלת טבעתי דומה3,9 ומצא כי זרם הנדנוד הופיע לראשונה כגלי חום, ולאחר מכן פנה לזרימה מורכבת יותר עם העלייה בהפרש הטמפרטורות. בשנת 2002, שוואבה ובנץ ואח ' דיווחו על קבוצת ניסויים על הסעה תרמוקפילר במאגר נוזלי טבעתי שנערך על הלווין הרוסי בפולי-12.,10 התוצאות הנסיוניות שלהם היו. עקביות בתוצאות הניסוי הקרקע כמה מדענים יפניים ביצעו שלוש סדרות של ניסויים על גשר נוזלי הסעה תרמוקפילר, בשם הניסוי marangoni בחלל (מייס), על תחנת החלל הבינלאומית11,12,13. כמה ציוד ניסיוני, כולל המצלמה, imager תרמי, חיישנים הצמד, ו 3D-PTV ו photochromic הטכנולוגיה, הוחלו בשלוש אלה משימות. התנאים הקריטיים של הסעה התרמוקפילר ביחס גובה-רוחב שונים נקבעו, ומבני זרימה תלת-ממדיים נצפו.

במהלך 30 השנים האחרונות, מדעי המיקרו-כבידה עברה פיתוח פורה בסין14,15,16, ומספר ניסויים מיקרו כבידה נערכו בחלל17,18. בתחום של פיזיקה נוזלים, הניסוי המיקרו כבידה הראשון היה המחקר של נוזל שתי שכבות על הלווין SJ-5 ההשבה ב 1999, ואת מבנה הזרימה הושגה על ידי שיטת מעקב חלקיקים14. בשנת 2004, המחקר על הגירה התרמוקפילר של droplet בוצע על SZ-4, ואת הקשר בין מהירות הגירה ו-Mach מספר קריטי (Ma) התקבל15,16. בשנת 2005, המחקר הניסיוני על הגירה מרובת בועות תרמוקפילר בוצע על JB-417, ואת כללי ההגירה הושגו כמו מספר Ma הוגדלה כדי 8,000. בינתיים, בעיות כמו מיזוג בועה נחקרו גם. בשנת 2006, המחקר על העברת המסה הפצת הדיפוזיה בוצעה על הלווין ההשבה SJ-8, האינטרלומטר של מאך-Zeder הוחל לראשונה בניסוי החלל, תהליך העברת הפצת הדיפוזיה נצפתה, ומקדם הדיפוזיה הוערך18.

בשנים האחרונות התמקדו בסדרה של מחקרים ניסיוניים ממוקדים בתנודות ובתהליכי היקיונים בתוך הסעה תרמו-קפילר, ובוצעו ביחד השפעה של כוח הציפה והתרמוקפילר. התוצאות הנסיוניות מראות כי לא ניתן להתעלם מאפקט הציפה בניסויים בקרקע, שכן הוא ממלא תפקיד דומיננטי במקרים רבים19,20,21,22. בשנת 2016, שני ניסויים מיקרוגרביטציה בוצעו כדי לחקור הסעה תרמוקפילר בגשר הנוזלי על TG-2, ו הסעה תרמו קפילר בבריכה הנוזלית טבעתי על לווין ההשבה SJ-1023,24. העיתון הנוכחי מציג את המטען הניסיוני של הסעה תרמו-קפילר בSJ10, ותוצאות ניסוי החלל. שיטות אלה יהיו מועילות לחקור את מנגנון תנודה התרמוקפיציה.

כדי להתבונן בשינוי הצורה, בתנודות הטמפרטורה ובמשטח הנוזלים הנוזלי, שישה זוגות תרמיים, מצלמה תרמית אינפרא-אדום, וחיישן תזוזה לכמת את התדר, השרעת והכמויות הפיזיות האחרות של התנודות שימשו. באמצעות חקירות על תנודות ומעבר בהחדרה של התרמוקפילר בחלל, מנגנון הסעה התרמונימי בסביבה המיקרוגרוטציה, המספקת הדרכה מדעית לצמיחת חומרים בחלל, יכולה להיות תגלה והובן. יתר על כן, פריצות דרך טכנולוגיים בניסויים בחלל כגון, כגון טכניקות תחזוקה של פני שטח נוזלי והזרקת נוזלים ללא בועות, יהיה לשפר עוד יותר את הפשטות והרמה הטכנית של ניסויים מיקרו-כבידה בנוזל פיזיקה.

מאמר זה מציג את הפיתוח של המטען ואת ניסוי החלל של פרויקט גל המשטח התרמונימי שבוצעו על לווין הניסוי של SJ-10 מדעי. בתור התנסות בחלל, מערכת זו הסעה תרמוקפילר יש יכולת אנטי רטט חזק כדי למנוע הלם אלים, במיוחד במהלך תהליך השיגור לווין. על מנת לעמוד בדרישות של פעולה מרוחקת, תהליך הניסוי בחלל נשלט באופן אוטומטי, ואת הנתונים הניסיוניים שטח ניתן לשדר לתחנת הקליטה אות הקרקע של החללית ולאחר מכן לניסויים של המדענים פלטפורמה.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. עיצוב והכנת המערכת הניסיונית

  1. בנו את בריכת הנוזלים הטבעתי.
    1. לבנות בריכה נוזלית מנחושת טבעתי מדידה ri = 4 מ"מ בקוטר הפנימי ro = 20 מ"מ בקוטר החיצוני d = 12 מ"מ בגובה.
    2. השתמש בצלחת פוליסולפון מדידת RP = 20 מ"מ בקוטר התחתון של הבריכה הנוזלית (ראה טבלת חומרים).
    3. מקדחה חור קטן מדידת φ = 2 מ"מ בקוטר קרוב לקיר הפנימי (6 מ"מ הרחק ממרכז המעגל) כמו חור הזרקת נוזל.
  2. . שמור על הממשק
    1. הוסיפו פינות חדות (זוויות 45 °) על קירות הצד הפנימי והחיצוני (איור 2).
    2. החלת הנוזל נגד זוחל21 (ראה טבלת חומרים) לקירות הפנימיים והחיצוניים לגובה גדול מ-12 מ"מ.
  3. הכן את מערכת האחסון של נוזל העבודה.
    1. בחרו בשמן הסיליקון השני בתור נוזל העבודה (ראו טבלת חומרים).
    2. השתמשו בצילינדר הידראולי כמיכל לאחסון שמן הסיליקון (ראו טבלת חומרים).
    3. הכנס את נוזל העבודה לצילינדר הידראולי באמצעות הטכניקה ללא בועה לפני ההשקה.
      הערה: בועות שהושעו בנוזל העבודה יגרמו לכישלון הניסוי.
      1. פרוק את הגז בשמן הסיליקון על-ידי חימום הנוזל ל-60 ° c והפעלת לחץ < 150 Pa במשך כ-6 שעות.
      2. ואקום מערכת אחסון נוזלי עד הלחץ שלה הוא < 200 Pa.
      3. להקל על השסתום כדי לאפשר את שמן הסיליקון למלא את גליל שאבק ללא גז (איור 3).
  4. הגדר את מערכת ההזרקה עבור הנוזל הפועל.
    1. בחר מנוע צעד לכונן את הזריקה או יניקה של נוזל (ראה טבלת חומרים).
    2. החלת שסתום חשמלי כדי לשלוט במתג ביטול של מערכת ההזרקה (ראה טבלת חומרים).
    3. חבר את המנוע המדרגה לצילינדר הנוזלי באמצעות מפרק אוניברסלי (איור 4).
    4. לחבר את גליל נוזלי, שסתום חשמלי, וחור הזרקה ברציפות עם צינור מדידה 4 מ"מ בקוטר החיצוני.

2. הקמת מערכת בקרת טמפרטורה

  1. להטביע את הצילינדר הפנימי עם סרט חימום (התנגדות Rt = 14.4 ± 0.5 Ω) ולמדוד את הטמפרטורה ti עם זוג מסוג-K (ראה טבלת חומרים).
  2. באופן סימטרי לצרף שישה שבבי קירור (כל שני שבבים מחוברים במקביל כקבוצה, ושלוש קבוצות מחוברים בסדרה) לקיר החיצוני ולהשיג את טמפרטורת הקיר החיצוני To באמצעות זוג נוסף K-סוג התרמוגרפים.
    הערה: ההבדל בטמפרטורה הוא ΔT = ti - to.

3. הקמת מערכת המדידה

הערה: ניתן לשלוט בכל ההתקנים באמצעות תוכנה.

  1. מניחים שישה זוגות תרמיים (t1 - T6) בתוך המאגר הנוזלי כדי למדוד טמפרטורות בנקודות שונות. הפריסה המפורטת מוצגת באיור 5.
  2. מניחים את מצלמת האינפרא-אדום ישירות מעל פני השטח הנוזלי, ומסובבים את העדשה כדי לכוונן את הפוקוס ואוספים את מידע שדה הטמפרטורה במשטח נטול הנוזלים (ראו טבלת חומרים).
  3. התאימו את חיישן התזוזה כדי למדוד את העקירה של נקודה מסוימת (r = 12 מ"מ) על פני השטח הנוזלי (ראו טבלת חומרים).
    הערה: חיישן העקירה בלייזר משמש עבור מטען זה כדי להגשים את 100 μs במהירות גבוהה לדגימה, שהיא שיטת מדידה בדיוק גבוהה במיוחד עם רזולוציה של 1 μm, ו יניאריות של ± 0.1% F.S.
  4. השתמש מצלמת CCD להתמקד על משטח נוזלי ולהקליט את השינוי של משטח חופשי (ראה טבלת חומרים, איור 6).
    הערה: מספר הפיקסלים האפקטיביים הוא 752 x 582, והתאורה המינימלית היא 1.6 Lux/F 2.0.

4. תהליך ניסיוני

  1. הפעל את תוכנת בקרת הניסוי והפעל את לחצן ההפעלה.
  2. בצע את הזרקת הנוזל.
    1. החלה 12 וולט על. ברז החשמלי כדי לפתוח אותו
    2. הפעל את כפתור המנוע כדי לדחוף את האופנוע בשלב של 2.059 מ"מ ולהזריק 10,305 mL של שמן סיליקון לתוך הבריכה הנוזלית.
    3. כבו את כוח הברז החשמלי. כדי לסגור את הברז החשמלי
  3. ביצוע חימום ליניארי.
    1. הגדר את התנאים הניסיוניים כדלקמן: טמפרטורת היעד חימום Ti = 50 ° c; טמפרטורת היעד קירור To = 15 ° צ'; ושיעור חימום = 0.5 ° צ'/מינימום.
  4. איסוף נתונים.
    1. הגדר את תדרי הדגימה המתאימים של האנג'ר אינפרא-אדום, זוגות תרמיים, חיישן הזחה ו-CCD ל-7.5 Hz, 20 Hz, 20 Hz ו -25 הרץ בהתאמה.
    2. לחץ על הלחצן עבור מערכת איסוף הנתונים ונטר את הטמפרטורה, ההזחה ומידע נוסף באמצעות תוכנת המחשב (איור 7).
  5. . כבה את לחצן ההפעלה
    הערה: המתן כ-1 עד שהטמפרטורות של הקצוות החמים והקרים שווים לטמפרטורת הסביבה לניסוי הבא.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

יחס אמצעי האחסון המדויק הוגדר, והטופוגרפיה של פני השטח הנוזלי שוחזר על בסיס התמונות שנתפסו על ידי CCD. תנאי חוסר היציבות הקריטיים נקבע, ומאפייני התנודות נחקרו באמצעות ניתוח אותות בטמפרטורת נקודה אחת ואותות הזחה מנדנוד. מבנה שדה הזרימה הושג, והמעבר של תבנית הזרימה נקבע באמצעות שינוי תמונת האינפרא-אדום עם הזמן. מאפייני הזרימה, מנגנון הזרימה ומעבר הביוקטיון יכולים ללמוד גם באמצעות ניתוח מקיף על תוצאות נסיוניות מרובות.

תמונות תרמיות אינפרא אדום הושגו כדי להמחיש את הפצות הטמפרטורה על משטח נטול נוזלים בתוך הסעה תרמוקפילר. מגוון של דפוסי זרימה נצפו, הכוללים תנודה רדיאלי או כיוון השעון/כנגד כיוון השעון (איור 8). זרימת תרמו-קפילר מאבדת תחילה את יציבותו ומעברים אל תנודות רדיאליות, ולאחר מכן להקיף גלים מסתובבים. נמצא כי הסעה יציבה התרמוקפילר מתפתחת גל עומד, ואז גל נודד, ולבסוף למצב הצימוד של גל נסיעה גל עומד.

הטמפרטורות במקומות שונים במערכת הזרימה התרמוקפילר נמדדות בזוגות תרמיים ביחס נפח מסוים (Vr = 0.715). איור 9 (משמאל) מראה כי הטמפרטורות בתוך הנוזל גדל בצורה לינארית עם עליית ההפרש בטמפרטורה. שדה הטמפרטורה אינו משתנה מעת לעת ברגע שהפרש הטמפרטורה עולה על סף מסוים, ומצביע על כך שהסעת התרמוקפילר התפתחה ממצב קבוע למצב של נדנוד. בנוסף, משרעת הטמפרטורה הנדנוד גדלה כשדה הזרימה התפתח. ניתוח הספקטרום באיור 9 (מימין) מציין כי תדירות התנודה הקריטית הייתה 0.064 Hz.

דפורמציה של המשטח נטול הנוזלים נחקר לראשונה באמצעות מדידות ישירות. על-ידי השוואת מספר רב של נתוני דפורמציה למשטח החופשי הנמדד על ידי חיישן התזוזה, ואת נתוני הטמפרטורה של הנוזל הנמדד על ידי הזוגות התרמיים, זה נצפה כי דפורמציה פני השטח ואת שדה הטמפרטורה בנוזל החל נדנוד באותו זמן באותו תדר (איור 10).

Figure 1
איור 1: מטען חלל ניסיוני. (משמאל) . תרשים סכימטי של המטען (מימין) תמונה של מטען החלל הניסוי. הסעה תרמוקפילר ניתן לצפות באמצעות מצלמת אינפרא אדום, CCD, ו חיישן הזחה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 2
איור 2: סכימטי ודמותו של הבריכה הנוזלית הטבעתי. כאשר היה הבדל טמפרטורה בין שני הקצוות, הסעה תרמוקפילר נוצר בתוך הבריכה הנוזלית הטבעתי. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 3
איור 3: התקן מילוי ואקום ותהליך המילוי. הליך זה בוצע לפני השיגור הבטיחו כי לא נוצרו בועות בנוזל במהלך ניסויים בחלל. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 4
איור 4: סכימטי של הקשר בין מנוע stepper וצילינדר. שמן הסיליקון הפרשות או יניקה אל הצילינדר ניתן להבין על ידי שליטה על המתג לדחוף/למשוך של מנוע stepper. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 5
איור 5: מיקומי ההתקנה של זוגות תרמיים. אותות טמפרטורה בגבהים שונים וזוויות azimuthal יכולים לנתח את מאפייני הגל הנודד. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 6
איור 6: תמונת CCD של הבריכה נוזלי טבעתי (במקרה 13, Vr = 0.715). קביעה אם רמת הנוזל מטפסת או לא יכולה להיות מזוהה על-ידי התמונה. יחס אמצעי האחסון ניתן להשגה גם בעיבוד קצוות של התמונה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 7
איור 7: בזמן אמת עקומת בקרת טמפרטורה (מקרה 13, Vr = 0.715). זהו מצב חימום ליניארי עם קצב של 0.5 ° c/min. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 8
איור 8: שדה טמפרטורה על משטח חופשי בתקופה אחת (במקרה 13, Vr = 0.715). (א) תמונות תרמיות אינפרא אדום של הגל ההידרותרמי. (ב) המקביל גרפים תלת-ממדיים של (א). (ג) המקבילה תמונות subaverage תקופתיות של התמונות המקוריות ב (א). האזור הקר והאזור החם מופיעים לסירוגין בזוגות. אדום = טמפרטורה גבוהה; כחול = טמפרטורה נמוכה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 9
איור 9: מדידות טמפרטורה (מקרה 13, Vr = 0.715). (משמאל) תנודות בטמפרטורה. עם גידול הבדלי הטמפרטורה (מימין) ספקטרום תדירות קריטי של אותות (A). PSD = דחיסות ספקטרלית של כוח. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 10
איור 10: מדידות תנודות של משטח נטול נוזלים (במקרה 13, Vr = 0.715). (משמאל) הזחה בהגדלת הבדלי הטמפרטורה. (מימין) ספקטרום תדר תואם של אותות בלוח השמאלי. כאשר ההפרש בטמפרטורה עולה על סף מסוים, התזוזה מתגברת מעת לעת, והשרעת מגדילה את מגדילה הטמפרטורה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

בשל המגבלה של משאבי שטח, הנפח של הציוד כולו הוא רק 400 mm × 352 mm × 322 mm, עם משקל רק 22.9 ± 0.2 ק"ג. זה מאוד לא נוח בעת בחירה והנחת מכשירים ניסיוניים, והקמת מערכת הזרימה הופכת לשלב הקריטי. לפיכך, הבדלי הטמפרטורות הגדלים מוגדרים בשני קצוות המאגר הנוזלי, כך שהנוזל יכול ליצור סדרה של תופעות זרימה. כדי להתבונן בתהליך כולו של הסעה מתמדת לתנודות בניסוי אחד, השמן הסיליקון השני נבחר כנוזל העבודה בשל השקיפות והפרמטרים הפיזיים המתאימים. בנוסף, בגלל המתח פני השטח, המשטח הנוזלי מעוקל. נקודת התצפית של חיישן העקירה צריכה להיות במרכז הקטרים הפנימיים והחיצוניים.

עם הזנחת שגיאות הנגרמות על ידי מאפיינים פיזיים, ניתן להשיג את אי הוודאות של הפרמטרים הניסיוניים. חוסר הוודאות בתקן סינתטי של הסף הקריטי של הסעה תרמוקפילר נקבע להיות 1.11%. חוסר הוודאות של יחס אמצעי האחסון הנגרם על-ידי גורמים כגון אידוי נוזלים וקריאה בנפח הוא בתוך 4.00%, וביניהם אי-הוודאות האקראית הסטנדרטית הנגרמת על ידי מדידות טמפרטורה וממדים גיאומטריים של המאגר הנוזלי הם 0.05 ° c ו 0.01 מ"מ, בהתאמה. המרחק ממומש על ידי מנוע צעד עבור הזרקה נוזל/יניקה, יחידת התנועה המינימלית של המנוע הוא 1 ספירה = 3.5 × 10-6 מ"מ. בשילוב עם אי-הודאות שהוצגו על ידי הזרקה/יניקה נוזלי וממדים גיאומטריים של הבריכה הנוזלית, חוסר הוודאות הסינתטי הסופי של יחס הנפח הוא 4.07%.

רק 23 קבוצות של נתונים ניסיוניים מקום יקר הושגו עקב זמן הטיסה המוגבלת של הלווין, וניסויים בהפרש טמפרטורות גדול (מעל 40 ° c) טרם בוצעו. בנוסף, בשל ההגבלה של משאבי החלל, המודל חסר פונקציית סיבוב לעומת השיטה האמיתית הצמיחה גביש תעשייתי.

במונחים של פיתוח ציוד, שתי בעיות מפתח נפתרו, כלומר תחזוקה של משטח נטול נוזלים והזרקת נוזל ללא בועות, שניהם משחקים תפקידים מרכזיים ביישום מוצלח של ניסויים בחלל. שתי טכנולוגיות מפתח אלה גם הוחלו בהצלחה על ניסויים בחלל הבאים, כמו במשימת החלל Tiangong-2, וגם יהיה להחיל על ניסויים בחלל נוסף בעתיד.

המכשיר הניסיוני ושיטת ההתבוננות המבוססת על הסעה SJ10 קפילר יכול לספק בסיס מדעי ותמיכה טכנית למחקר של מכניקת הנוזלים, פיזיקה microgravity, צמיחה הגביש התעשייתי האמיתי, ואולי רבים אחרים יישומים רבים.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

. אין לנו מה לגלות

Acknowledgments

ישנם משתתפים רבים שתרמו לעבודה שדווחה במאמר זה, כולל כל חברי צוות הפרויקט שלנו, כמו גם כמה אנשים ממרכז המחקר וההדרכה של האסטרונאוטים (ACC) ו-ניקל.

עבודה זו ממומנת על ידי תוכנית מחקר עדיפות אסטרטגית על מדעי החלל, האקדמיה הסינית למדעים: SJ-10 ההשבה ניסוי מדעי לווין (גרנט לא. XDA04020405 ו-XDA04020202-05), ועל ידי הקרן המשותפת של הקרן הלאומית למדעי הטבע של סין (U1738116).

Materials

Name Company Catalog Number Comments
anti-creeping liquid 3M EGC-1700
CCD WATTEC WAT-230VIVID
Displacement sensor Panasonic HL-C1
Heating film HongYu 125 Q/W335.1A
Hydraulic cylinder FESTO ADVU-40-25-P-A
Infrared camera FLIR Tau2
LED 693 Institute 10257MW7C
Montor PI M-227
Montor controller PI C-863
Pipe, 4mm FESTO PUN-4X0,75-GE
polysulfone plate 507 Institute
Refrigeration chip Zhongke 9502/065/021M
Silicon oil, 2cSt Shin-Etsu KF-96
Solenoid FESTO MFH-2-M5
Temperature controller Eurotherm 3304
Thermocouple, K-type North University of China ZBDX-HTTK

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Scriven, L. E., Sternling, C. V. The Marangoni effect. Nature. 187, 186-188 (1960).
  2. 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).
  3. Benz, S., Schwabe, D. The three-dimensional stationary instability in dynamic thermocapillary shallow cavities. Experiments in Fluids. 31, 409-416 (2001).
  4. Schwabe, D. Buoyant-thermocapillary and pure thermocapillary convective instabilities in Czochralski systems. Journal of Crystal Growth. 237-239, 1849-1853 (2002).
  5. Kamotani, Y., Ostrach, S., Pline, A. Analysis of velocity data taken in surface tension drivenconvection experiment in microgravity. Physics of Fluids. 6, 3601-3609 (1994).
  6. Kamotani, Y., Ostrach, S., Pline, A. A thermocapillary convection experiment in microgravity. Journal of Heat Transfer. 117, 611-618 (1995).
  7. Kamotani, Y., Ostrach, S., Pline, A. Some temperature field results from the thermocapillary flow experiment aboard USML-2 spacelab. Advances in Space Research. 22, 1189-1195 (1998).
  8. Kamotani, Y., Ostrach, S., Masud, J. Microgravity experiments and analysis of oscillatory thermocapillary flows in cylindrical containers. Journal of Fluid Mechanics. 410, 211-233 (2000).
  9. Schwabe, D., Benz, S., Cramer, A. Experiment on the Multi-roll-structure of thermocapillary flow in side-heated thin liquid layers. Advances in Space Research. 24 (10), 1367-1373 (1999).
  10. Schwabe, D., Benz, S. Thermocapillary flow instabilities in an annulus under microgravity results of the experiment MAGIA. Advances in Space Research. 29, 629-638 (2002).
  11. Kawamura, H., et al. Report on Microgravity Experiments of Marangoni Convection Aboard International Space Station. Journal of Heat Transfer. 134 (3), 031005 (2012).
  12. Sato, F., et al. Hydrothermal Wave Instability in a High-Aspect-Ratio Liquid Bridge of Pr > 200. Microgravity Science and Technology. 25 (1), 43-58 (2013).
  13. Yano, T., et al. Instability and associated roll structure of Marangoni convection in high Prandtl number liquid bridge with large aspect ratio. Physics of Fluids. 27 (2), 024108 (2015).
  14. Yao, Y. L., Liu, Q. S., Zhang, P., Hu, L., Liu, F., Hu, W. R. Space Experiments on Thermocapillary Convection and Marangoni Convection in Two Immiscible Liquid Layers. Journal of the Japan Society of Microgravity Application. 15, 394-398 (1998).
  15. Zhang, P., et al. Space experimental device on Marangoni drop migrations of large Reynolds numbers. Science in China. 44 (6), Series E. 605-614 (2001).
  16. Xie, J. C., Lin, H., Zhang, P., Liu, F., Hu, W. R. Experimental investigation on thermocapillary drop migration at large Marangoni number in reduced gravity. Journal of Colloid and Interface Science. 285, 737-743 (2005).
  17. Kang, Q., Cui, H. L., Hu, L., Duan, L., Hu, W. R. Experimental Investigation on bubble coalescence under non-uniform temperature distribution in reduced gravity. Journal of Colloid and Interface Science. 310, 546-549 (2007).
  18. Duan, L., et al. The real-time March-Zehnder interferometer used in space experiment. Microgravity Science and Technology. 20, 91-98 (2008).
  19. Zhu, P., Zhou, B., Duan, L., Kang, Q. Characteristics of surface oscillation in thermocapillary convection. Experimental Thermal and Fluid Science. 35, 1444-1450 (2011).
  20. Zhu, P., Duan, L., Kang, Q. Transition to chaos in thermocapillary convection. International Journal of Heat and Mass Transfer. 57, 457-464 (2013).
  21. Kang, Q., Duan, L., Zhang, L., Yin, Y. L., Yang, J. S., Hu, W. R. Thermocapillary convection experiment facility of an open cylindrical annuli for SJ-10 satellite. Microgravity Science and Technology. 28, 123-132 (2016).
  22. Wang, J., Wu, D., Duan, L., Kang, Q. Ground Experiment on the Instability of Buoyant-thermocapillary Convection in Large Scale Liquid Bridge with Large Prandtl Number. International Journal of Heat and Mass Transfer. 108, 2107-2119 (2017).
  23. Kang, Q., Jiang, H., Duan, L., Zhang, C., Hu, W. R. The Critical Condition and Oscillation - Transition Characteristics of Thermocapillary Convection in the Space Experiment on SJ-10 Satellite. International Journal of Heat and Mass Transfer. 135, 479-490 (2019).
  24. Kang, Q., et al. The volume ratio effect on flow patterns and transition processes of thermocapillary convection. Journal of Fluid Mechanics. 868 (108), 560-583 (2019).

Tags

הנדסה סוגיה 157 ניסויים במיקרוגרוטציה עיצוב מטען בריכה נוזלית טבעתי הסעה תרמוקפילר תנודה גל מעברים
ניסוי בחלל החום התרמונימי על לווין ההשבה של SJ-10
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Duan, L., Yin, Y., Wang, J., Kang,… More

Duan, L., Yin, Y., Wang, J., Kang, Q., Wu, D., Jiang, H., Zhang, P., Hu, L. Thermocapillary Convection Space Experiment on the SJ-10 Recoverable Satellite. J. Vis. Exp. (157), e59998, doi:10.3791/59998 (2020).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter