Для просмотра этого контента требуется подписка на JoVE. Войдите или начните свой бесплатный пробный период.

Методическая статья

Термокапиллярный конвекционный космический эксперимент на восстанавливаемом спутнике SJ-10

6.8K просмотров

⸱

DOI:

10.3791/59998

⸱

11 марта 2020 г.

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
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

В этой статье

Краткое содержание

В настоящей статье представлен протокол проектирования космической полезной нагрузки, космический эксперимент по термокапиллярной конвекции и анализ экспериментальных данных и изображений.

Аннотация

Термокапиллярная конвекция является важным исследовательским предметом в физике микрогравитации жидкости. Экспериментальное исследование поверхностных волн термокапиллярной конвекции в кольцеобразном жидком бассейне является одним из 19 научных экспериментальных проектов на извлекаемом спутнике SJ-10. Представлена конструкция для полезной нагрузки для космического экспериментального исследования на термокапиллярной конвекции, которая включает в себя экспериментальную модель, измерительную систему и систему управления. Предусмотрена специфика для построения экспериментальной модели кольцеобразного жидкого пула с переменными коэффициентами объема. Температура жидкости регистрируется шестью термопарами с высокой чувствительностью 0,05 градусов по Цельсию в разных точках. Распределение температуры на жидкой свободной поверхности фиксируется с помощью инфракрасной тепловой камеры. Деформация свободной поверхности обнаруживается датчиком смещения с высокой точностью 1 мкм. Экспериментальный процесс полностью автоматизирован. Исследование сосредоточено на термокапиллярных колебаниях явлений на жидкой поверхности и конвективных переходов шаблона через анализ экспериментальных данных и изображений. Это исследование будет полезно для понимания механизма термокапиллярной конвекции и будет предлагать дальнейшее понимание нелинейных характеристик, нестабильности потока и периодов бифуркации термокапиллярной конвекции.

Введение

В условиях микрогравитации в космосе из-за отсутствия гравитации представлено множество интересных физических явлений. В жидкости со свободной поверхностью существует новая система потока (т.е. термокапиллярный поток), которая вызвана градиентом температуры или градиентом концентрации. В отличие от традиционной конвекции на земле, термокапиллярная конвекция является вездесущим явлением в космической среде. Поскольку это очень важный исследовательский предмет в физике микрогравитации жидкости, ряд экспериментов были проведены в космосе, а также на земле. Недавно были проведены космические экспериментальные исследования термокапиллярной конвекции на извлекаемом научном экспериментальном спутнике SJ-10. Полезная нагрузка космического эксперимента состояла из восьми систем, а именно системы жидкого эксперимента, системы хранения и инъекций жидкости, системы контроля температуры, системы измерения термопары, инфракрасной тепловой камеры, датчиков перемещения, системы приобретения CCD-изображений и системы электрического управления, как показано на рисунке 1 (слева). Полезная нагрузка космического эксперимента для исследования поверхностных волн термокапиллярной конвекции показана на рисунке 1 (справа). В этом исследовании основное внимание уделялось нестабильности потока, явлений колебаний и переходов, которые являются важными характеристиками в процессе перехода от ламинарного потока к хаосу. Исследования по этим фундаментальным предметам имеют большое значение для исследований в отношении сильного нелинейного потока.

В отличие от плавучести квекции, обусловленной силой объема, термокапиллярная конвекция является явлением, вызванным поверхностным натяжением в интерфейсе между двумя неизведанными жидкостями. Величина поверхностного натяжения изменяется с некоторыми параметрами скалара, включая температуру, растворимую концентрацию и прочность электрического поля. Когда эти поля масштабирования распределяются неравномерно в интерфейсе, на свободной поверхности будет присутствовать градиент поверхностного натяжения. На свободной поверхности жидкость приводится в движение градиентом поверхностного натяжения, чтобы переместиться от места с меньшим поверхностным натяжением к тому, что с большим поверхностным натяжением. Этот поток был впервые интерпретирован итальянским физиком Карло Марангони. Таким образом, он был назван "эффект Марангони"1. Поток марангони на свободной поверхности распространяется на внутреннюю жидкость вязкостью и в результате генерирует так называемое конвекцию Марангони.

Строго говоря, для жидкостной системы со свободной поверхностью, термокапиллярная конвекция и конвекция плавучести всегда появляются одновременно под нормальной гравитацией. В целом, для макроскопической конвективной системы, термокапиллярная конвекция является незначительным эффектом и, как правило, игнорируется по сравнению с плавучестью конвекции. Однако, при условии мелкомасштабной конвективной системы или в условиях микрогравитации, конвекция плавучести будет значительно ослаблена, или даже исчезнет, и термокапиллярная конвекция станет доминирующей в системе потока. В течение длительного периода времени, исследования были сосредоточены на макро-масштабе плавучести convection из-за ограничений в человеческой деятельности и методов исследования2,3,4. Однако в последние десятилетия, с быстрым развитием современной науки и техники, таких как аэрокосмическая промышленность, кино, MEMS и нелинейная наука, необходимость дальнейших исследований термокапиллярной конвекции становится все более актуальной.

Исследования, касающиеся гидродинамики микрогравитации, имеют важное академическое значение и перспективы применения. Многие динамизм, физики химики, биологи и материалисты собрались для работы в этой области. Камотани и Ostrach завершили эксперименты на термокапиллярной конвекции в кольцеобразном жидком бассейне в условиях микрогравитации2,,5,,6,,7,,8 и наблюдали устойчивый поток, колесивой и критические условия. Schwabe et al. изучили плавуче-термокапиллярную конвекцию в аналогичном кольцевом жидком бассейне3,9 иобнаружили,что колеблющийся поток сначала появился как термокапиллярные волны, а затем превратился в более сложный поток с увеличением разницы температур. В 2002 году «Швабе» и «Бенц» и др. сообщили о группе экспериментов по термокапиллярной конвекции в кольцеобразном жидком бассейне, проведенных на российском спутнике FOTON-124,10. Их космические экспериментальные результаты соответствовали результатам наземных экспериментальных работ. Некоторые японские ученые провели три серии экспериментов на жидком мосту термокапиллярной конвекции, названный Marangoni Эксперимент в космосе (MEIS), на Международной космической станции11,12,13. В этих трех задачах было применено экспериментальное оборудование, включая камеру, тепловизионный прибор, датчики термопары, 3D-ПтВ и фотохромную технологию. Были определены критические условия термокапиллярной конвекции при различных соотношений сторон и наблюдались трехмерные (3D) структуры потока.

За последние 30 лет, микрогравитация наука претерпела плодовитое развитие в Китае14,15,16, и ряд микрогравитационных экспериментов были проведены в космосе17,18. В области физики жидкости первым экспериментом в области микрогравитации стало изучение двухслойной жидкости на извлекаемом спутнике SJ-5 в 1999 году, а структура потока была получена методом отслеживания частиц14. В 2004 году на СЗ-4 было проведено исследование по термокапиллярной миграции капли, и связь между скоростью миграции и критическим номером Маха (Ма) была получена15,,16. В 2005 году на JB-417было проведено экспериментальное исследование по многопузырьковой термокапиллярной миграции, и миграционные правила были получены по мере увеличения числа ма до 8000. Между тем, такие проблемы, как слияние пузырьков, также были изучены. В 2006 году было проведено исследование по передаче диффузионной массы на извлекаемом спутнике SJ-8, интерферометр Мах-Зендера был впервые применен в космическом эксперименте, наблюдался процесс передачи диффузионной массы, а коэффициент диффузии был оценен18.

В последние годы был проведен ряд наземных экспериментальных исследований, посвященных процессам колебаний и бифуркации в термокапиллярной конвекции, проанализирован паровой эффект плавучести и термокапиллярной силы. Экспериментальные результаты показывают, что эффект плавучести не может быть проигнорирован в наземных экспериментах, так как он играет доминирующую роль во многих случаях19,20,,21,22. В 2016 году были проведены два микрогравитационных эксперимента по исследованию термокапиллярной конвекции в жидком мосту на ТГ-2 и термокапиллярной конвекции в кольцевом жидком бассейне на извлекаемом спутнике SJ-1023,,24. В настоящем документе представлена экспериментальная полезная нагрузка термокапиллярной конвекции на SJ10 и результаты космического эксперимента. Эти методы будут полезны при изучении механизма термокапиллярных колебаний.

Для того, чтобы наблюдать конвективный переход шаблона, колебания температуры и жидко-свободной деформации поверхности, шесть термопар, инфракрасная тепловая камера и датчик смещения для количественной оценки частоты, амплитуды и других физических количеств колебаний были использованы. Благодаря исследованиям по колебаниям и переходу в термокапиллярной конвекции в космосе, механизм термокапиллярной конвекции в микрогравитационной среде, который обеспечивает научное руководство для роста материалов в космосе, может быть обнаружили и поняли. Кроме того, технологические прорывы в таких космических экспериментах, такие как методы обслуживания жидкой поверхности и инъекции жидкости без пузырьков, еще больше укрепят простоту и технический уровень микрогравитационных экспериментов в жидкости Физики.

В настоящем документе представлены разработка полезной нагрузки и космический эксперимент проекта термокапиллярной поверхностной волны, осуществляемый на научно-экспериментальном спутнике SJ-10. В качестве полезной нагрузки космического эксперимента эта термокапиллярная конвекционная система обладает мощной антивибрационной способностью предотвращать сильный шок, особенно в процессе запуска спутника. Для того, чтобы соответствовать требованиям дистанционной эксплуатации, процесс космического эксперимента контролируется автоматически, и космические экспериментальные данные могут быть переданы на станцию приема наземного сигнала космического аппарата, а затем в экспериментальные ученые Платформы.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

1. Проектирование и подготовка экспериментальной системы

  1. Постройте кольцеобразный жидкий бассейн.
    1. Постройте медный кольцевой жидкий бассейн размером Ri 4 мм внутреннего диаметра и Ro 20 мм в внешнем диаметре и d - 12 мм в высоту.
    2. Используйте полисульфонпластину диаметром RP и 20 мм в качестве нижней части жидкого бассейна (см. Таблицу Материалов).
    3. Просверлите небольшое отверстие размером 2 мм в диаметре близко к внутренней стене (6 мм от центра круга) в качестве жидкого отверстия для инъекций.
  2. Поддерживайте интерфейс.
    1. Добавьте острые углы (углы 45 градусов) на внутренние и внешние боковые стенки(рисунок 2).
    2. Нанесите антиползующую жидкость21 (см. таблицу материалов)на внутренние и внешние стены на высоту более 12 мм.
  3. Подготовьте систему хранения рабочей жидкости.
    1. Выберите силиконовое масло 2cSt в качестве рабочей жидкости (см. Таблицу Материалов).
    2. Используйте гидравлический цилиндр в качестве контейнера для хранения силиконового масла (см. Таблицу Материалов).
    3. Введите рабочую жидкость в гидравлический цилиндр, используя технику без пузырьков перед запуском.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Пузыри, подвешенные в рабочей жидкости, приведут к провалу эксперимента.
      1. Разгрузите газ в силиконовом масле, нагревая жидкость до 60 градусов по Цельсию и применяя давление в течение 6 ч.
      2. Вакуумная система хранения жидкости до ее давления до тех пор, пока ее давление не будет йл;200 Па.
      3. Снимите клапан, чтобы силиконовое масло, чтобы заполнить пылесосом цилиндр без газа(рисунок 3).
  4. Настройка системы впрыска для рабочей жидкости.
    1. Выберите шаг двигателя для привода инъекции или всасывания жидкости (см. Таблица материалов).
    2. Нанесите соленоидный клапан для управления выключателем системы впрыска (см. Таблица материалов).
    3. Соедините шаговой двигатель к жидкому цилиндру с помощью универсального соединения(рисунок 4).
    4. Соедините жидкий цилиндр, соленоидный клапан и отверстие для впрыска последовательно с трубой размером 4 мм внешнего диаметра.

2. Создание системы контроля температуры

  1. Встраивайте внутренний цилиндр с нагревательной пленкой (сопротивление Rt 14.4 и 0.5) и измеряйте температуру Ti с термопарой k-типа (см. Таблица материалов).
  2. Симметрично прикрепите шесть холодильных микросхем (каждые две микросхемы соединены параллельно группой, а три группы соединены в серии) к внешней стене и получите температуру наружной стены To с помощью дополнительного термопара типа K.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Разница температур составляет :T и Ti - To.

3. Создание системы измерений

ПРИМЕЧАНИЕ: Все устройства могут управляться с помощью программного обеспечения.

  1. Поместите шесть термопар(T1 - T6) внутри жидкого бассейна для измерения температуры в разных точках. Подробная планировка показана на рисунке 5.
  2. Поместите инфракрасную камеру прямо над жидкой поверхностью и поверните объектив, чтобы настроить фокус и собрать информацию о температурном поле на жидкой поверхности (см. Таблицу Материалов).
  3. Отрегулируйте датчик смещения для измерения смещения определенной точки(р- 12 мм) на жидкой поверхности (см. Таблицу Материалов).
    ПРИМЕЧАНИЕ: Датчик смещения лазера используется для этой полезной нагрузки для того, чтобы реализовать высокоскоростной выборку в 100 евро, который представляет собой метод измерения сверхвысокой точности с разрешением 1 мкм, и линейность 0,1% F.S.
  4. Используйте камеру CCD, чтобы сосредоточиться на жидкой поверхности и зафиксировать изменение свободной поверхности (см. Таблицу Материалов, Рисунок 6).
    ПРИМЕЧАНИЕ: Количество эффективных пикселей 752 x 582, а минимальное освещение 1.6 Lux/F2.0.

4. Экспериментальный процесс

  1. Запустите программное обеспечение управления экспериментом и включите кнопку питания.
  2. Выполните жидкую инъекцию.
    1. Нанесите 12 V на соленоидный клапан, чтобы открыть его.
    2. Включите кнопку двигателя, чтобы нажать motorat шаг 2,059 мм и ввести 10,305 мл силиконового масла в жидкий бассейн.
    3. Выключите соленоидный клапан, чтобы закрыть соленоидный клапан.
  3. Выполняйте линейное отопление.
    1. Установите экспериментальные условия следующим образом: температура цели нагрева Ti и 50 градусов по Цельсию; температура цели охлаждения To и 15 градусов по Цельсию; и скорость нагрева 0,5 градуса по Цельсию/мин.
  4. Сбор данных.
    1. Установите соответствующие частоты выборки инфракрасного изображения, термопар, датчика смещения и CCD до 7,5 Гц, 20 Гц, 20 Гц и 25 Гц соответственно.
    2. Нажмите кнопку для системы сбора данных и контролировать температуру, перемещение и другую информацию с помощью программного обеспечения компьютера(рисунок 7).
  5. Выключите кнопку питания.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Подождите 1 ч, чтобы температура горячих и холодных концов равна температуре окружающей среды для следующего эксперимента.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

Точное соотношение громкости было определено, и топография жидкой поверхности была реконструирована на основе изображений, полученных CCD. Критическое состояние нестабильности было определено, и характеристики колебаний были изучены на основе анализа на одноточечные температурные сигналы и колебания смещения сигналов. Была получена структура поля потока, и переход модели потока определялся изменением инфракрасного изображения со временем. Характеристики потока, механизм потока и переход б...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

Из-за ограниченности космических ресурсов объем оборудования в целом составляет всего 400 мм и 352 мм, а вес - всего 22,9 и 0,2 кг. Это очень неудобно при выборе и выкладке экспериментальных устройств, и создание системы потока становится критическим шагом. Таким образом, увеличивающееся изменение температуры устанавливается на двух концах жидкого бассейна, так что жидкость может генерировать ряд явлений потока. Для того, чтобы наблюдать за всем процессом конвекции от устойчивого к колебанию в одном эксперименте, 2cSt си...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

Нам нечего раскрывать.

Благодарности

Есть много участников, которые внесли свой вклад в работу сообщили в этой работе, в том числе все члены нашей проектной группы, а также некоторые люди из астронавтов научно-исследовательский и учебный центр (ACC) и Neusoft.

Эта работа финансируется Программой стратегических приоритетных исследований в области космических наук, Китайской академией наук: Спутникs SJ-10 Recoverable Scientific Experiment (Грант No. XDA04020405 и XDA04020202-05), а также совместным фондом Национального фонда естественных наук Китая (U1738116).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
противоскользящая жидкость3MEGC-1700
CCDWATTECWAT-230VIVID
Датчик перемещенияPanasonicHL-C1
Нагревательная пленкаHongYu125 Q/W335.1A
Гидравлический цилиндрFESTOADVU-40-25-P-A
Инфракрасная камераFLIRTau2
LED693 Institute10257MW7C
MontorPIM-227
Montor controllerPIC-863
Труба, 4 ммFESTOPUN-4X0,75-GE
полисульфоновая пластина507 Institute
Чип охлажденияZhongke9502/065/021M
Силиконовое масло, 2cStШин-ЭцуKF-96
СоленоидFESTOMFH-2-M5
Регулятор температурыEurotherm3304
Термопара, K-типСеверный университет КитаяZBDX-HTTK

Ссылки

  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).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Теги

спутник SJ-10кольцевой жидкостный бассейнинфракрасная тепловизионная камерадатчик перемещенияизмерение термопаройподдержание поверхности жидкостибезпузырьковое впрыскивание жидкостианализ поверхностных волн
Термокапиллярный конвекционный космический эксперимент на восстанавливаемом спутнике SJ-10
Связаться с нами
Порекомендовать библиотеке

Конфиденциальность

Условия использования

Политики

© 2026 MyJoVE Corporation. Все права защищены.