Summary
Uzay yükü tasarımı için bir protokol, termopiller konveksiyon üzerine uzay deneyi ve deneysel veri ve görüntülerin analizleri bu makalede sunulmuştur.
Abstract
Termopiller konveksiyon mikroyerçekimi sıvı fiziğinde önemli bir araştırma konusudur. Termopiller konveksiyonun yüzey dalgaları üzerinde yapılan deneysel çalışma, SJ-10 geri kazanılabilir uydudaki 19 bilimsel deneysel projeden biridir. Sunulan deneysel model, ölçüm sistemi ve kontrol sistemi içeren termopiller konveksiyon uzay deneysel çalışma için bir yük için bir tasarımdır. Değişken hacim oranlarına sahip bir yıllık sıvı havuzunun deneysel bir modelinin inşası için ayrıntılar sağlanır. Sıvı sıcaklıkları farklı noktalarda 0.05 °C yüksek hassasiyeti ile altı termokupl tarafından kaydedilir. Sıvı serbest yüzeydeki sıcaklık dağılımları kızılötesi termal kamera ile yakalanır. Serbest yüzey deformasyonu, 1 μm yüksek hassasiyete sahip bir deplasman sensörü tarafından algılanır. Deneysel süreç tamamen otomatiktir. Araştırma, deneysel veri ve görüntülerin analizleri yoluyla sıvı içermeyen yüzey ve konvektif desen geçişleri termopiller salınım fenomenleri üzerinde yoğunlaşacaktır. Bu araştırma termik konveksiyon mekanizmasını anlamak için yararlı olacaktır ve doğrusal olmayan özellikleri, akış istikrarsızlığı ve termopiller konveksiyon çatallanma geçişleri hakkında daha fazla fikir sunacak.
Introduction
Uzayda mikroyerçekimi koşulları altında, birçok ilginç fiziksel olaylar yerçekimi yokluğu nedeniyle sunulmaktadır. Serbest yüzeyi olan bir sıvıda, sıcaklık degradesi veya konsantrasyon degradesi tarafından kaynaklanan yeni bir akış sistemi (yani termopiller akış) vardır. Zemindeki geleneksel konveksiyondan farklı olarak, termik konveksiyon uzay ortamlarında her yerde bulunan bir olgudur. Mikroyerçekimi sıvı fiziğinde çok önemli bir araştırma konusu olduğu için uzayda ve yerde bir dizi deney yapılmıştır. Son zamanlarda, uzay deneysel çalışmalar SJ-10 kurtarılabilir bilimsel deney uydusu üzerinde termopiller konveksiyon üzerinde yapılmıştır. Uzay deney iþyükü, Şekil 1'de (solda) gösterildiği gibi, sıvı deney sistemi, sıvı depolama ve enjeksiyon sistemi, sıcaklık kontrol sistemi, termokupl ölçüm sistemi, kızılötesi termal kamera, yer değiştirme sensörleri, CCD görüntü alma sistemi ve elektrik kontrol sisteminden oluþan sekiz sistemden oluþan sekiz sistemden oluþmuþtu. Termopiller konveksiyonun yüzey dalgaları üzerinde araştırma için uzay deneyi yükü Şekil 1'de (sağda) gösterilmiştir. Bu çalışma, laminar akıştan kaosa geçiş sürecinde önemli özellikler olan akış, salınım fenomenleri ve geçişlerin kararsızlığı üzerine odaklanmıştır. Bu temel konularda yapılan çalışmalar, güçlü doğrusal olmayan akışla ilgili araştırmalar için büyük öneme sahiptir.
Hacim kuvveti tarafından yönlendirilen yüzdürme konveksiyonundan farklı olarak, termopiller konveksiyon iki imsiscible sıvı arasındaki arayüz içindeki yüzey geriliminden kaynaklanan bir olgudur. Yüzey geriliminin büyüklüğü sıcaklık, çözünür konsantrasyonu ve elektrik alan mukavemeti de dahil olmak üzere bazı skaler parametrelerle değişir. Bu skaler alanlar arabirimde eşit olmayan bir şekilde dağıtıldığında, serbest yüzeyde bir yüzey gerilimi degradesi bulunur. Serbest yüzeydeki sıvı, daha az yüzey gerilimi olan yerden daha fazla yüzey gerilimi ile hareket etmek için yüzey gerilimi degradesi tarafından tahrik edilir. Bu akış ilk olarak İtalyan fizikçi Carlo Marangoni tarafından yorumlandı. Bu nedenle, "Marangoni etkisi"1seçildi. Serbest yüzeydeki Marangoni akışı viskozite ile iç sıvıya kadar uzanır ve sonuç olarak Marangoni konveksiyonu olarak bilinen şeyi oluşturur.
Açık konuşmak gerekirse, serbest bir yüzeye sahip sıvı sistemi için termopiller konveksiyon ve yüzdürme konveksiyonu her zaman normal yerçekimi altında eş zamanlı olarak görünür. Genel olarak, makroskopik konvektif sistem için, termopiller konveksiyon küçük bir etkisi ve genellikle yüzdürme konveksiyon ile karşılaştırıldığında göz ardı edilir. Ancak, küçük ölçekli konvektif sistem veya mikroyerçekimi ortamında, yüzdürme konveksiyon büyük ölçüde zayıflamış olacak, hatta kaybolur, ve termopiller konveksiyon akış sisteminde baskın hale gelecektir. Uzun bir süre için, araştırma insan faaliyetleri,ve araştırma yöntemleri2,3,4sınırlamalar nedeniyle makro ölçekli yüzdürme conveksiyon odaklanmıştır. Ancak, son yıllarda, havacılık, film, MEMS ve doğrusal olmayan bilim gibi modern bilim ve teknolojinin hızlı gelişimi ile, termopiller konveksiyon üzerinde daha fazla araştırma ihtiyacı giderek acil hale gelmiştir.
Mikroyerçekimi hidrodinamik ile ilgili çalışmalar önemli akademik önemi ve uygulama umutları vardır. Birçok dinamikçi, fiziksel kimyagerler, biyologlar ve malzeme bilim adamları bu alanda çalışmak için bir araya geldi. Kamotani ve Ostrach mikroyerçekimi koşulları altında bir yıllık sıvı havuzda termocapiller konveksiyon deneyler ilerler2,5,6,7,8 ve gözlenen sabit akış, salınım akışı, ve kritik koşullar. Schwabe ve ark. benzer bir anüler sıvıhavuz3içinde yüzdürücü-termocapiller konveksiyon okudu,9 ve salınım akışı ilk termopiller dalgalar olarak ortaya çıktı bulundu, ve daha sonra sıcaklık farkı artışı ile daha karmaşık bir akış döndü. 2002 yılında, Schwabe ve Benz ve ark. Rus FOTON-12uydu4,10üzerinde yürütülen bir anüler sıvı havuzda termopiller konveksiyon üzerinde deneyler bir grup bildirdi. Uzay deneysel sonuçları yer deneysel sonuçlarıyla uyumludu. Bazı Japon bilim adamları sıvı köprü termik konveksiyon üzerinde deneyler üç dizi yürütülen, Uzayda Marangoni Deneyi adlı (MEIS), Uluslararası Uzay İstasyonu11,12,13. Bu üç görevde kamera, termal görüntüleyici, termokupl sensörleri ve 3D-PTV ve fotokromik teknoloji gibi bazı deneysel ekipmanlar uygulandı. Farklı enboy oranlarda termopiller konveksiyonun kritik koşulları belirlendi ve üç boyutlu (3D) akış yapıları gözlendi.
Son 30 yıl içinde, mikroyerçekimi bilimÇin'deüretken gelişme uğramıştır 14,15,16, ve mikroyerçekimi deneyleri bir dizi uzayda yapılmıştır17,18. Sıvı fiziği alanında, ilk mikroyerçekimi deneyi 1999 yılında SJ-5 geri kazanılabilir uyduüzerinde iki katmanlı sıvı çalışması oldu ve akış yapısı parçacık izleme yöntemi14ile elde edildi. 2004 yılında SZ-4'te termopiller geçiş çalışması yapıldı ve göç hızı ile kritik Mach (Ma) sayısı arasındaki ilişki15,16. 2005 yılında JB-417'deçoklu kabarcıklı termopiller göç üzerine deneysel çalışma yapılmıştır ve Ma sayısı 8.000'e yükseltildikçe göç kuralları elde edilmiştir. Bu arada kabarcık birleştirme gibi sorunlar da incelendi. 2006 yılında SJ-8 readen edilebilir uyduda difüzyon kütle transferi ile ilgili çalışma yapıldı, Mach-Zehnder interferometresi ilk olarak uzay deneyinde uygulandı, difüzyon kütle transferi süreci gözlendi ve difüzyon katsayısı18olarak değerlendirildi.
Son yıllarda termokpil konveksiyonda salınım ve çatallanma süreçlerine odaklanan bir dizi zemin deneysel çalışması gerçekleştirilmiş ve yüzdürme ve termopiller kuvvetin birleştirilmiş etkisi analiz edilmiştir. Deneysel sonuçlar yüzdürme etkisi zemin deneylerinde göz ardı edilemez olduğunu göstermektedir, birçok durumda baskın bir rol oynar gibi19,20,21,22. 2016 yılında, TG-2'deki sıvı köprüdeki termopiller konveksiyonu ve SJ-10 geri kazanılabilir uydu23,24'tekianüler sıvı havuzundaki termopiller konveksiyonu araştırmak için iki mikroyerçekimi deneyi yapılmıştır. Bu kağıt SJ10 üzerinde termopiller konveksiyon deneysel yük tanıttı, ve uzay deney sonuçları. Bu yöntemler termopiller salınım mekanizmasını keşfetmede yararlı olacaktır.
Konvektif desen geçişini, sıcaklık salınımını ve sıvısız yüzey deformasyonunu gözlemlemek için altı termokupl, bir kızılötesi termal kamera ve frekansı, genliği ve diğer fiziksel miktarları ölçmek için bir yer değiştirme sensörü salınım ı kullanılmıştır. Uzayda termopiller konveksiyonda salınım ve geçiş üzerine yapılan araştırmalar sonucunda, uzaydaki malzemelerin büyümesi için bilimsel rehberlik sağlayan mikroyerçekimi ortamındaki termopiller konveksiyon mekanizması, keşfedilmiş ve anlaşılmıştır. Ayrıca, sıvı yüzey bakım teknikleri ve kabarcıklar olmadan sıvı enjeksiyon gibi bu tür uzay deneyleri teknolojik atılımlar, daha fazla sıvı mikroyerçekimi deneylerin basitlik ve teknik düzeyini artıracaktır Fizik.
Bu makale, SJ-10 bilimsel deneysel uydusu üzerinde yürütülen termopiller yüzey dalgası projesinin yük geliştirme ve uzay deneylerini tanıtır. Bir uzay deneyi yükü olarak, bu termopiller konveksiyon sistemi şiddetli şoku önlemek için güçlü bir anti-titreşim yeteneğine sahiptir, özellikle uydu fırlatma işlemi sırasında. Uzaktan çalışma gereksinimlerini karşılamak için, uzay deneyi süreci otomatik olarak kontrol edilir ve uzay deneysel verileri Uzay Aracı'nın Yer Sinyali Alıcı İstasyonu'na ve daha sonra bilim adamlarının deneysel Platform.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Deneysel sistemin tasarımı ve hazırlanması
- Anüler sıvı havuzu nusült..
- Ri = 4 mm iç çapı ve R Ro = 20 mm dış çapı ve d = 12 mm yüksekliğinde bakır anüler sıvı havuz oluşturun.
- Sıvı havuzun dibi olarak RP = 20 mm çapında bir polisülfone plaka kullanın (bkz. Malzemeler Tablosu).
- Sıvı enjeksiyon deliği olarak iç duvara yakın (dairenin merkezinden 6 mm uzakta) φ = 2 mm çapında küçük bir delik açın.
- Arabirimi koruyun.
- İç ve dış yan duvarlara keskin köşeler (45° açı) ekleyin(Şekil 2).
- İç ve dış duvarlara 12 mm'den daha yüksekliğe anti-sürünen sıvı21 (bkz. Malzemeler Tablosu)uygulayın.
- Çalışan sıvı depolama sistemini hazırlayın.
- Çalışan sıvı olarak 2cSt silikon yağı seçin (Malzeme Tablosubakınız).
- Silikon yağı depolamak için konteyner olarak bir hidrolik silindir kullanın (Malzeme Tablosubakınız).
- Çalıştırmadan önce kabarcıksız tekniği kullanarak çalışma sıvısını hidrolik silindire enjekte edin.
NOT: Çalışma sıvısında asılı kabarcıklar deneyin başarısızlığa neden olacaktır.- Silikon yağdaki gazı 60 °C'ye ısıtıp basınç <150 Pa uygulayarak yaklaşık 6 saat deşarj edin.
- Sıvı depolama sistemini basıncı <200 Pa olana kadar vakumlayın.
- Silikon yağı gaz olmadan vakumlu silindir doldurmak için izin vermek için vana rahatlatmak(Şekil 3).
- Çalışan sıvı için enjeksiyon sistemini ayarlayın.
- Sıvının enjeksiyonunu veya emerek bir adım motoru seçin (bkz. Malzemeler Tablosu).
- Enjeksiyon sisteminin açma-kapama düğmesini kontrol etmek için solenoid valf uygulayın (bkz. Malzemeler Tablosu).
- Step motorunu evrensel bir eklem kullanarak sıvı silindire bağlayın(Şekil 4).
- Sıvı silindiri, solenoid valfi ve enjeksiyon deliğini dış çapı 4 mm olan bir boruyla art arda bağlayın.
2. Sıcaklık kontrol sisteminin kurulması
- İç silindiri ısıtma filmi ile gömün (direnç Rt = 14.4 ± 0.5 Ω) ve K tipi termokupl ile Ti sıcaklığını ölçün (bkz. Table of Materials
- Simetrik altı soğutma yongaları (her iki yonga bir grup olarak paralel olarak bağlı ve üç grup bir dizi bağlı) dış duvara ekleyin ve ek bir K-tipi termokupl kullanarak dış duvar sıcaklığı To elde.
NOT: Sıcaklık farkı ΔT = Ti - To 'dur.
3. Ölçüm sisteminin kurulması
NOT: Tüm cihazlar yazılım tarafından kontrol edilebilir.
- Farklı noktalardaki sıcaklıkları ölçmek için sıvı havuzun içine altı termokupl(T1 - T6)yerleştirin. Ayrıntılı düzen Şekil 5'tegösterilmiştir.
- Kızılötesi kamerayı doğrudan sıvı yüzeyinin üzerine yerleştirin ve odağı ayarlamak ve sıvı içermeyen yüzeydeki sıcaklık alanı bilgilerini toplamak için lensi döndürün (Bkz. Malzeme Tablosu).
- Sıvı yüzeyde belirli bir noktanın(r = 12 mm) yer değiştirmesini ölçmek için yer değiştirme sensörünü ayarlayın (bkz. Malzemeler Tablosu).
NOT: Lazer deplasman sensörü, 1 μm çözünürlüğe sahip ultra yüksek hassasiyetli bir ölçüm yöntemi ve ± %0,1 F.S doğrusallığı sağlayan 100 μs yüksek hızlı örnekleme gerçekleştirmek için bu yük için kullanılır. - Sıvı yüzeye odaklanmak ve serbest yüzeydeki değişimi kaydetmek için CCD kamerayı kullanın (bkz. Malzeme Tablosu, Şekil 6).
NOT: Etkin piksel sayısı 752 x 582, minimum aydınlatma ise 1.6 Lux/F2.0'dır.
4. Deneysel süreç
- Deneme kontrol yazılımını başlatın ve güç düğmesini açın.
- Sıvı enjeksiyonu yapın.
- Açmak için solenoid valf üzerine 12 V uygulayın.
- Motor düğmesini açarak motora 2,059 mm adım basın ve sıvı havuza 10.305 mL silikon yağı enjekte edin.
- Solenoid valfi kapatmak için solenoid valf gücünü kapatın.
- Doğrusal ısıtma gerçekleştirin.
- Deneysel koşulları aşağıdaki gibi ayarlayın: ısıtma hedef sıcaklığı Ti = 50 °C; soğutma hedef sıcaklığı To = 15 °C; ve ısıtma hızı = 0.5 °C/dk.
- Veri toplayın.
- Kızılötesi görüntüleyicinin, termokuplların, yer değiştirme sensörünün ve CCD'nin karşılık gelen örnekleme frekanslarını sırasıyla 7,5 Hz, 20 Hz, 20 Hz ve 25 Hz olarak ayarlayın.
- Veri toplama sistemi için butonuna tıklayın ve bilgisayar yazılımını kullanarak sıcaklık, yer değiştirme ve diğer bilgileri izleyin (Şekil 7).
- Güç düğmesini kapatın.
NOT: Sıcak ve soğuk uçların sıcaklıklarının aşağıdaki deney için ortam sıcaklığına eşit olması için 1 saat bekleyin.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Doğru hacim oranı tanımlanmış ve sıvı yüzey topografyası CCD tarafından çekilen görüntülere göre yeniden oluşturulmuştur. Kritik istikrarsızlık durumu belirlendi ve salınım karakteristikleri tek nokta sıcaklık sinyalleri ve yer değiştirme salınım sinyalleri üzerinde yapılan analizler ile incelendi. Akış alanının yapısı elde edildi ve akış deseninin geçişi zamanla kızılötesi görüntünün değişmesi ile belirlendi. Akış özellikleri, akış mekanizması ve çatallanma geçişi de birden fazla deneysel sonuç üzerinde kapsamlı analiz yoluyla incelenebilir.
Termopiller konveksiyonda sıvı içermeyen yüzeydeki sıcaklık dağılımlarını görselleştirmek için kızılötesi termal görüntüler elde edilmiştir. Radyal salınım veya saat yönünde/saat yönünün tersine çevresel dönüşler içeren çeşitli salınım akış desenleri gözlenmiştir(Şekil 8). Termopiller akış önce stabilitesini kaybeder ve radyal salınıma, sonra da çevresel olarak dönen dalgalara geçiş eder. Bu sabit termocapiller konveksiyon ayakta bir dalga, daha sonra bir seyahat dalgası ve son olarak seyahat dalga ve ayakta dalga kaplin durumuna gelişir bulunmuştur.
Termopiller akış sisteminde farklı yerlerdeki sıcaklıklar belirli hacim oranlarında termokupllarla ölçüldü(Vr = 0.715). Şekil 9 (solda), sıvıiçindeki sıcaklıkların sıcaklık farkının artmasıyla doğrusal olarak arttığını göstermektedir. Sıcaklık farkı belirli bir eşiği aştığında sıcaklık alanı periyodik olarak dalgalanır, bu da termokpil konveksiyonun sabit bir durumdan salınım durumuna doğru geliştiğini gösterir. Buna ek olarak, akış alanı geliştikçe salınım sıcaklığının genliği de arttı. Şekil 9'daki (sağda) spektrum analizi kritik salınım frekansına 0.064 Hz olduğunu göstermektedir.
Sıvı içermeyen yüzeyin deformasyonu ilk olarak doğrudan ölçümlerle incelenmiştir. Yer değiştirme sensörü tarafından ölçülen serbest yüzey için çok sayıda deformasyon verisi ve termokupllar tarafından ölçülen sıvının sıcaklık verileri karşılaştırılarak, akıştaki yüzey deformasyonu ve sıcaklık alanının aynı anda ve aynı frekansta salınımyapmaya başladığı gözlenmiştir (Şekil 10).
Şekil 1: Uzay deneysel yükü. (Sol) Yükün şeması. (Sağ) Uzay deneyi yükünün görüntüsü. Termopiller konveksiyon kızılötesi kamera, CCD ve yer değiştirme sensörü ile gözlemlenebilir. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 2: Anüler sıvı havuzunun şema ve görüntüsü. İki uç arasında sıcaklık farkı olduğunda, termopiller konveksiyon anüler sıvı havuzu içinde üretildi. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 3: Vakum dolum cihazı ve dolum işlemi. Fırlatmadan önce yapılan bu işlem, uzay deneyleri sırasında sıvıda kabarcık lar üretilmeden sağlanmıştır. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 4: Step motor ve silindir arasındaki bağlantışeması. Silikon yağı deşarjı veya silindire emme step motorun itme/çekme anahtarı kontrol edilerek gerçekleştirilebilir. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 5: Termokuplların montaj yerleri. Farklı yüksekliklerde ve azimuthal açılarında sıcaklık sinyalleri seyahat dalga özelliklerini analiz edebilirsiniz. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 6: Anüler sıvı havuzunun CCD görüntüsü (Örnek 13, Vr = 0.715). Sıvı seviyesinin tırmanıp tırmanmadığı görüntü yle tanımlanabilir. Hacim oranı, görüntünün kenar işlemesi ile de elde edilebilir. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 7: Gerçek zamanlı sıcaklık kontrol eğrisi (Örnek 13, Vr = 0.715). Bu 0,5 °C/dk oranına sahip doğrusal Bir ısıtma modudur.
Şekil 8: Bir dönemde serbest yüzeydeki sıcaklık alanı (Örnek 13, Vr = 0.715). (A) Hidrotermik dalganın kızılötesi termal görüntüleri. (B) (A)karşılık gelen 3B grafikler. (C)(A)orijinal görüntülerin periyodik olarak ortalamanın altında görüntülere karşılık gelen . Soğuk bölge ve sıcak bölge dönüşümlü olarak çiftler halinde görünür. Kırmızı = yüksek sıcaklık; mavi = düşük sıcaklık. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 9: Sıcaklık ölçümleri (Örnek 13, Vr = 0.715). (Sol) Sıcaklık farkının artması ile sıcaklık salınımı. (Sağ) Sinyallerin ilgili kritik frekans spektrumu (A). PSD = Güç spektral yoğunluğu. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 10: Sıvı içermeyen yüzeyin salınım ölçümleri (Örnek 13, Vr = 0.715). (Sol) Sıcaklık farkının artması ile yer değiştirme. (Sağ) Sol paneldeki sinyallerin karşılık gelen frekans spektrumu. Sıcaklık farkı belirli bir eşiği aştığında, yer değiştirme periyodik olarak dalgalanacak ve sıcaklık farkı arttıkça genlik artar. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Uzay kaynaklarının sınırlandırılması nedeniyle, ekipmanın bir bütün olarak hacmi sadece 400 mm × 352 mm × 322 mm olup, ağırlığı sadece 22,9 ± 0,2 kg'dır. Deneysel cihazları seçerken ve döşeyerken bu çok rahatsız edicidir ve akış sisteminin kurulması kritik bir adım haline gelir. Bu nedenle, artan sıcaklık farkı sıvı havuzunun iki ucunda ayarlanır, böylece sıvı bir dizi akış fenomeni oluşturabilir. Konveksiyonun tüm sürecini tek bir deneyde sabitten salınıma gözlemlemek için, 2cSt silikon yağı şeffaflığı ve uygun fiziksel parametreleri nedeniyle çalışan sıvı olarak seçilir. Buna ek olarak, yüzey gerilimi nedeniyle, sıvı yüzey kavisli. Yer değiştirme sensörünün gözlem noktası iç ve dış çapların merkezinde olmalıdır.
Fiziksel özelliklerin neden olduğu hataların ihmal edilmesi üzerine, deneysel parametrelerin belirsizliği elde edilebilir. Termopiller konveksiyonun kritik eşiğinin sentetik standart belirsizliği %1.11 olarak belirlenmiştir. Sıvı buharlaşması ve hacim okuma gibi faktörlerin neden olduğu hacim oranının belirsizliği %4,00'dir ve bunların arasında sıvı havuzunun sıcaklık ölçümlerinden ve geometrik boyutlarının neden olduğu standart rasgele belirsizlikler sırasıyla 0,05 °C ve 0,01 mm'dir. Sıvı enjeksiyon/emme için step motor tarafından gerçekleştirilen mesafe ve motorun minimum hareket birimi 1 sayı = 3,5 × 10-6 mm' dir. Sıvı enjeksiyonu/emme söktürme ve sıvı havuzunun geometrik boyutlarıile ortaya çıkan belirsizlikler ile birlikte hacim oranının son sentetik belirsizliği %4,07'dir.
Uydunun sınırlı uçuş süresi nedeniyle sadece 23 grup değerli uzay deneysel verisi elde edilmiş ve büyük sıcaklık farkı (40 °C'nin üzerinde) deneyler henüz yapılmamıştır. Buna ek olarak, uzay kaynaklarının sınırlandırılması nedeniyle, model gerçek endüstriyel kristal büyüme yöntemi ile karşılaştırıldığında rotasyon fonksiyonu yoksundur.
Ekipman geliştirme açısından, iki temel sorun çözüldü, yani sıvı-free yüzey ve kabarcıklar olmadan sıvı enjeksiyon, her ikisi de uzay deneyleri başarılı uygulanmasında önemli rol oynamaktadır. Bu iki temel teknoloji de başarıyla tiangong-2 uzay misyonu gibi sonraki uzay deneyleri için uygulanmıştır, ve aynı zamanda gelecekte ek uzay deneyleri için uygulanacaktır.
SJ10 termopiller konveksiyondayalı deneysel cihaz ve gözlem yöntemi sıvı mekaniği, mikroyerçekimi fiziği, gerçek endüstriyel kristal büyüme ve muhtemelen diğer birçok çalışma için bilimsel bir temel ve teknik destek sağlayabilir çok sayıda uygulama.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Açıklayacak bir şeyimiz yok.
Acknowledgments
Proje ekibimizin tüm üyeleri ve Astronotlar Araştırma ve Eğitim Merkezi (ACC) ve Neusoft'tan bazı kişiler de dahil olmak üzere bu makalede bildirilen çalışmalara katkıda bulunan birçok katılımcı bulunmaktadır.
Bu çalışma Uzay Bilimleri Stratejik Öncelik Araştırma Programı tarafından finanse edilmektedir, Çin Bilimler Akademisi: SJ-10 Kurtarılabilir Bilimsel Deney Uydusu (Grant No. XDA04020405 ve XDA04020202-05) ve Çin Ulusal Doğa Bilimleri Vakfı (U1738116) ortak fonu tarafından.
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 |
References
- Scriven, L. E., Sternling, C. V.
- 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. The three-dimensional stationary instability in dynamic thermocapillary shallow cavities. Experiments in Fluids. 31, 409-416 (2001).
- Schwabe, D. Buoyant-thermocapillary and pure thermocapillary convective instabilities in Czochralski systems. Journal of Crystal Growth. 237-239, 1849-1853 (2002).
- 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).
- Kamotani, Y., Ostrach, S., Pline, A. A thermocapillary convection experiment in microgravity. Journal of Heat Transfer. 117, 611-618 (1995).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Kawamura, H., et al. Report on Microgravity Experiments of Marangoni Convection Aboard International Space Station. Journal of Heat Transfer. 134 (3), 031005 (2012).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Duan, L., et al. The real-time March-Zehnder interferometer used in space experiment. Microgravity Science and Technology. 20, 91-98 (2008).
- Zhu, P., Zhou, B., Duan, L., Kang, Q. Characteristics of surface oscillation in thermocapillary convection. Experimental Thermal and Fluid Science. 35, 1444-1450 (2011).
- Zhu, P., Duan, L., Kang, Q. Transition to chaos in thermocapillary convection. International Journal of Heat and Mass Transfer. 57, 457-464 (2013).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
