Summary
この論文では、宇宙ペイロード設計のプロトコル、熱キャピラリー対流に関する宇宙実験、実験データと画像の分析を行う。
Abstract
熱キャピラリー対流は微小重力流体物理学における重要な研究課題である。環状液体プールにおける熱キャピラリー対流の表面波に関する実験的研究は、SJ-10回収可能な衛星上の19の科学的実験プロジェクトの1つである。本講演は、実験モデル、測定システム、制御システムを含む熱キャピラリー対流に関する宇宙実験研究のためのペイロードの設計です。可変体積比を有する環状液体プールの実験モデルの構築に関する詳細が提供される。流体温度は、異なる点で0.05°Cの高感度で6熱電対によって記録されます。液体フリー表面の温度分布は、赤外線サーマルカメラによってキャプチャされます。自由表面変形は1μmの高精度の変位センサーによって検出される。実験プロセスは完全に自動化されています。実験データや画像の解析を通じた液体フリー表面の熱キャピラリー振動現象と対流パターンの遷移に焦点を当てています。本研究は、熱キャピラリー対流のメカニズムを理解するのに役立ち、熱キャピラリー対流の非線形特性、流れの不安定性、分岐遷移に関するさらなる洞察を提供する。
Introduction
宇宙の微小重力条件下では、重力の欠如により多くの興味深い物理現象が提示されます。自由表面を有する液体には、温度勾配または濃度勾配によって引き起こされる新しい流れシステム(すなわち熱キャピラリー流れ)が存在する。地上の伝統的な対流とは異なり、熱キャピラリー対流は宇宙環境におけるユビキタス現象です。微小重力流体物理学において非常に重要な研究課題であるため、宇宙空間や地上で多くの実験が行われてきた。最近、SJ-10回収可能な科学実験衛星の熱キャピラリー対流に関する宇宙実験研究が行われた。宇宙実験用ペイロードは、図1(左)に示すように、8つのシステム、すなわち流体実験システム、液体貯蔵および注入システム、温度制御システム、熱電対測定システム、赤外線サーマルカメラ、変位センサー、CCD画像取得システム、および電気制御システムで構成されています。熱キャピラリー対流の表面波に関する研究のための宇宙実験ペイロードを図1(右)に示す。本研究では、流れ、振動現象、および転移の不安定性に焦点を当てたもので、層流からカオスへの移行過程において重要な特徴である。これらの基礎的な課題に関する研究は、強い非線形流動に関する研究に大きな意義を持っています。
体積力によって駆動される浮力対流とは異なり、熱キャピラリー対流は、2つの非混和性流体間の界面内の表面張力によって引き起こされる現象です。表面張力の大きさは、温度、溶質濃度、電界強度など、いくつかのスカラーパラメータによって変化します。これらのスカラー フィールドがインターフェイス内で不均一に分布する場合、自由サーフェス上にサーフェス張力勾配が存在します。自由表面の流体は、表面張力勾配によって駆動され、表面張力が小さい位置から、より大きな表面張力を持つ位置に移動します。この流れは、イタリアの物理学者カルロ・マランゴンニによって最初に解釈されました。したがって、それは「マランゴン効果」1と命名されました。自由表面上のマランゴンの流れは粘度によって内部液体に伸び、その結果、マランゴン対流と呼ばれるものを生成する。
厳密に言えば、自由な表面を持つ流体システムのために、熱キャピラリー対流と浮力対流は常に正常な重力下で同時に表示されます。一般に、巨視対流系では、熱キャピラリー対流は軽微な効果であり、通常は浮力対流と比較して無視されます。しかし、小さな対流系や微小重力環境下では、浮力対流が大幅に弱まり、消滅し、熱キャピラリー対流が流れ系で支配的になります。長い間、研究は人間の活動と研究方法22、3、43の限界のためにマクロスケール浮力対流に焦点を4当ててきました。しかし、ここ数十年、航空宇宙、フィルム、MEMS、非線形科学などの現代科学技術の急速な発展に伴い、熱キャピラリー対流に関するさらなる研究がますます急務となっています。
微小重力流体力学に関する研究は、学術的意義と応用の見通しが重要である。多くのダイナミック派、物理化学者、生物学者、材料科学者がこの分野で働くために集まりました。加谷とオストラクは微小重力条件下で環状液体プールにおける熱キャピラリー対流の実験を完了し、2、5、6、7、85,6,7,の条件下で安定した流れ、振動流れ、臨界条件を観察した。8Schwabeらは、同様の環状液体プール33,99で浮力-熱キャピラリー対流を研究し、振動流が最初に熱キャピラリー波として現れ、その後、温度差の増加に伴いより複雑な流れに変わったことを発見した。2002年、シュワベとベンツらは、ロシアのFOTON-12衛星44,1010で行われた環状液体プールにおける熱キャピラリー対流に関する実験群を報告した。彼らの宇宙実験結果は、地上実験結果と一致した。一部の日本の科学者は、国際宇宙ステーション11、12、13,12で、液体橋熱キャピラリー対流(MEIS)と名付けられた3つの一連の実験を行いました。カメラ、サーマルイメージャー、熱電対センサー、3D-PTVおよびフォトクロミック技術を含むいくつかの実験装置は、これらの3つのタスクに適用されました。異なるアスペクト比での熱キャピラリー対流の臨界条件を決定し、3次元(3D)流れ構造を観察した。
過去30年間、中国では微小重力科学が14,15,16,16で多発して開発され、宇宙14,17,1818で多くの微小重力17実験が行われてきました。流体物理学の分野では、最初の微小重力実験は、1999年にSJ-5回収可能な衛星上での2層流体の研究であり、粒子追跡法14によって流動構造を得た。2004年には、液滴の熱キャピラリー移動に関する研究をSZ-4で行い、移動速度と臨界マッハ(Ma)数との関係を15,16,16に得た。2005年にはJB-417でマルチバブル熱キャピラリー移行の実験研究を行い、Ma数が8,000に増加したため、移行規則が得られました。一方、バブルの合流などの問題も研究された。2006年、SJ-8回収可能な衛星に対して拡散質量移動に関する研究を行い、マッハ・ツェンダー干渉計を宇宙実験に初めて適用し、拡散量移動の過程を観察し、拡散係数を18に評価した。
近年、熱キャピラリー対流における振動と分岐過程に焦点を当てた一連の地上実験研究が行われ、浮力と熱キャピラリー力の結合効果が分析されている。実験結果,は、多くの場合19、20、21、2220,において支配的な役割を果たすため19、地盤実験では浮力効果を無視できないことを示している。21222016年には、TG-2上の液体橋の熱キャピラリー対流と、SJ-10回収可能な衛星23,24の環状液体プールにおける熱キャピラリー対流を研究するために2つの微小重力実験を行った。本論文では、SJ10上の熱キャピラリー対流の実験ペイロードと宇宙実験結果を紹介する。これらの方法は、熱キャピラリー振動のメカニズムを探索するのに役立ちます。
対流パターンの転移、温度振動、および液体のない表面変形を観察するために、6つの熱電対、赤外線サーマルカメラ、および周波数、振幅、およびその他の物理量を定量化する変位センサー振動の使用を行った。宇宙における熱キャピラリー対流の振動と転移に関する調査を通じて、宇宙における物質の成長に科学的指針を提供する微小重力環境における熱キャピラリー対流のメカニズムは、宇宙における物質の成長に関する科学的ガイダンスを提供することができる。発見され、理解されました。さらに、液体表面維持や気泡のない液体注入の技術など、宇宙実験における技術的ブレークスルーは、流体中の微小重力実験の簡便性と技術的レベルをさらに高める物理 学。
本論文では、SJ-10科学実験衛星で実施した熱キャピラリー表面波プロジェクトのペイロード開発と宇宙実験について紹介する。宇宙実験用ペイロードとして、この熱キャピラリー対流システムは、特に衛星打ち上げプロセス中に激しい衝撃を防ぐ強力な防振能力を有する。遠隔操作の要件を満たすために、宇宙実験プロセスは自動的に制御され、宇宙実験データは宇宙船の地上信号受信ステーションに送信され、その後科学者の実験に送信することができますプラットフォーム。
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Protocol
実験システムの設計と準備
- 環状の液体プールを構築します。
- 内径Ri = 4 mm、外径でR Ro = 20 mm、高さd = 12 mm の銅環状液体プールを構築します。
- 液体プールの底部として、RP = 直径20mmのポリサルホンプレートを使用します(材料表を参照)。
- 内壁に近いϕ直径φ=2mmの小穴(円の中心から6mm離れた)を液体注入穴として掘削します。
- インターフェイスを維持します。
- 内側と外側の側壁に鋭い角(45°の角度)を追加します(図2)。
- 内壁と外壁に対して、12mmを超える高さに対して、反クリーピング液体21(材料表を参照)を適用します。
- 作動液の貯蔵システムを準備する。
- 2cStシリコーンオイルを作動液として選択します(材料表を参照)。
- シリコーンオイルを貯蔵する容器として油圧シリンダを使用する(材料表を参照)。
- 起動前にバブルフリーの技術を使用して油圧シリンダーに作動油を注入します。
注: 作動流体に懸濁された泡は実験の失敗をもたらす。- 液体を60°Cに加熱し、約6時間の圧力<150 Paを加えることによって、シリコーン油中のガスを排出します。
- 液体貯蔵システムの圧力が<200 Paになるまで真空にします。
- バルブを緩和して、シリコーンオイルがガスなしで真空ボンベを充填できるようにします(図3)。
- 作動液用の注入システムをセットアップします。
- 液体の注入または吸引を駆動するステップモーターを選択します(材料表を参照)。
- ソレノイドバルブを適用して、射出システムのオンオフスイッチを制御します(材料表を参照)。
- 汎用ジョイントを使用してステップモータを液体シリンダーに接続します(図4)。
- 液体シリンダー、ソレノイドバルブ、射出穴を外径4mmのパイプで連続して接続します。
2. 温度制御システムの確立
- 内部シリンダーに加熱フィルム(抵抗Rt = 14.4 ± 0.5 Ω)を埋め込み、K型熱電対で温度Tiを測定します(材料表を参照)。
- 対称的に6つの冷凍チップ(2つのチップはグループとして並列に接続され、3つのグループは一連に接続されています)を外壁に取り付け、追加のK型熱電対を使用して外壁温度Tooを得ます。
注意: 温度差はΔT = Ti - Toです。
3. 測定システムの確立
メモ:すべてのデバイスはソフトウェアで制御できます。
- 液体プール内に 6 つの熱電対(T1 - T6)を配置して、異なるポイントの温度を測定します。詳細なレイアウトを図5に示します。
- 赤外線カメラを液体表面の真上に置き、レンズを回転させて焦点を合わせ、液体のない表面の温度フィールド情報を収集します(材料表を参照)。
- 変位センサーを調整して、液体表面上の特定の点(r = 12 mm)の変位を測定します(「材料表」を参照)。
注:このペイロードには、1μmの解像度と直線性±0.1%の直線性を備えた超高精度測定方法である100μsの高速サンプリングを実現するために、レーザー変位センサを使用します。 - CCDカメラを使用して液体表面に焦点を当て、自由な表面の変化を記録します(材料表、図6を参照)。
注: 有効ピクセル数は 752 x 582 で、最小イルミネーションは 1.6 ルクス/F2.0 です。
4. 実験過程
- 実験制御ソフトウェアを起動し、電源ボタンをオンにします。
- 液体注入を行います。
- ソレノイドバルブに12 Vを適用して開きます。
- モーターボタンをオンにして2.059 mmのステップでモーターを押し、10,305 mLのシリコーンオイルを液体プールに注入します。
- ソレノイドバルブを閉じるには、ソレノイドバルブの電源を切ります。
- リニア加熱を行います。
- 実験条件を次のように設定します: 加熱対象温度Ti = 50 °C;冷却目標温度To = 15°C;と加熱速度 = 0.5 °C/分。
- データを収集します。
- 赤外線イメージャー、熱電対、変位センサー、CCD の対応するサンプリング周波数をそれぞれ 7.5 Hz、20 Hz、20 Hz、25 Hz に設定します。
- データ収集システムのボタンをクリックし、コンピュータソフトウェアを使用して温度、変位、その他の情報を監視します(図7)。
- 電源ボタンをオフにします。
注: 熱い端と冷たい端の温度が次の実験の周囲温度と等しくなるように 1 時間待ちます。
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Representative Results
正確な体積比を定義し、液体表面地形はCCDによって撮影された画像に基づいて再構築されました。臨界不安定性条件を決定し、単一点温度信号と変位振動信号の解析を通じて発振特性を研究した。フローフィールドの構造を得て、時間とともに赤外線画像の変化を経て流動パターンの推移を求めた。流れの特徴、流れ機構および分岐転移はまた複数の実験結果の総合的な分析によって検討することができる。
熱熱放射状の熱画像は、熱キャピラリー対流で液体フリーの表面上の温度分布を可視化するために得られた。放射状振動や時計回り/反時計回りの円周回転など、さまざまな振動流れパターンが観察されています(図8)。熱キャピラリー流はまず安定性を失い、放射状振動に移行し、次に周回波に移行します。安定した熱キャピラリー対流は、立ち波、次に進行波、そして最後に進行波と立ち波の結合状態に進化することが分かった。
熱キャピラリー流れシステムの異なる場所の温度は、特定の体積比(Vr = 0.715)で熱電対で測定された。図9(左)は、流体内部の温度が温度差が上昇すると直線的に上昇したことを示しています。温度差が一定の閾値を超えると温度場は周期的に変動し、熱キャピラリー対流が定常状態から振動状態に発達したことを示す。さらに、流れ場が進化するにつれて振動温度の振幅が大きくなりました。図9(右)のスペクトル解析は、臨界発振周波数が0.064Hzであったことを示しています。
液体のない表面の変形は、まず直接測定を通じて研究された。変位センサで測定した自由面に関する多数の変形データと、熱電対で測定した流体の温度データを比較することにより、流体中の表面変形と温度場が同時に同じ周波数で振動し始めていることが観察された(図10)。
図1:宇宙実験ペイロード。(左)ペイロードの概略図。(右)宇宙実験ペイロードの画像。熱キャピラリー対流は赤外線カメラ、CCD、および変位センサーによって観察することができる。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図2:環状液体プールの概略図と画像。両端の温度差があった場合、環状液体プール内で熱キャピラリー対流が発生した。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図3:真空充填装置と充填プロセス。打ち上げ前に行われたこの手順は、宇宙実験中に液体中に泡が生成されていないことを保証した。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図4:ステッパーモータとシリンダの接続の概略図。シリンダからのシリコーンオイルの排出またはシリンダへの吸引は、ステッパーモータのプッシュ/プルスイッチを制御することで実現できます。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図5:熱電対の設置場所高さや方位角の温度信号は、進行波特性を解析できます。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図6:環状液体プールのCCD画像(ケース13、Vr=0.715)。 Vr 液体レベルが上昇するかどうかは、画像によって識別できます。また、体積比は、画像のエッジ処理によっても得ることができる。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図7:リアルタイム温度制御曲線(ケース13、Vr=0.715)。 Vr これは0.5 °C/minのレートの線形加熱モードです。
図8:1期間の自由表面上の温度場(ケース13、Vr = 0.715)。(A) 水熱波の赤外線熱画像。(B) 対応する 3D グラフ (A)(C) 元の画像の対応する周期的な平均平均画像 (A)コールド ゾーンとホット ゾーンは、ペアで交互に表示されます。赤 = 高温;青 = 低温。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図9:温度測定(ケース13、Vr= 0.715)。(左)温度差の増加に伴う温度振動。(右)信号の対応する臨界周波数スペクトル (A)PSD = パワースペクトル密度。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図10:液体を含まない表面の振動測定(ケース13、Vr=0.715)。 Vr (左)温度差の増加に伴う変位。(右)左パネルの信号の対応する周波数スペクトル。温度差が一定の閾値を超えると、変位は周期的に変動し、温度差が大きくなるにつれて振幅が大きくなります。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
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Discussion
スペースリソースの制限により、機器全体の容積はわずか400mm×352mm×322mmで、重量はわずか22.9±0.2kgです。実験装置を選択してレイアウトする場合、これは非常に不便であり、フローシステムの確立が重要なステップになります。したがって、温度差の増加は、流体が一連の流れ現象を生成できるように、液体プールの両端に設定されます。単一の実験で安定から振動までの対流のプロセス全体を観察するために、2cStシリコーンオイルは、その透明性と適切な物理的パラメータのために作動液として選択されます。また、表面張力のため、液面が湾曲している。変位センサーの観測点は、内径と外径の中心に配置する必要があります。
物理的特性による誤差を無視すると、実験パラメータの不確実性が得られます。熱キャピラリー対流の臨界閾値の合成標準不確実性は1.11%と判定された。液体蒸発や体積読み取りなどの要因によって引き起こされる体積比の不確実性は4.00%以内であり、その中で液体プールの温度測定と幾何学的寸法によって引き起こされる標準的なランダムな不確実性はそれぞれ0.05°Cおよび0.01mmである。液体注入/吸引のためのステップモータによって実現される距離、およびモータの最小移動ユニットは1カウント=3.5×10-6mmです。-6
衛星の飛行時間が限られているため、貴重な宇宙実験データは23基しか得られていないが、大きな温度差(40°C以上)での実験はまだ行われていない。また、宇宙資源の制限により、実の工業用結晶成長法に比べ回転機能が欠けている。
機器開発の面では、液体のない表面の維持と気泡のない液体注入という2つの重要な問題が解決され、どちらも宇宙実験の成功に重要な役割を果たしています。これら2つの重要な技術は、天宮2号宇宙ミッションなど、その後の宇宙実験にも応用され、将来的には宇宙実験にも応用される予定です。
SJ10熱キャピラリー対流に基づく実験装置と観察方法は、流体力学、微小重力物理学、実際の工業用結晶成長、そしておそらく他の多くの研究のための科学的基盤と技術サポートを提供することができます多数のアプリケーション。
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Disclosures
開示するものは何もありません。
Acknowledgments
本稿では、プロジェクトチームのメンバー、宇宙飛行士研究訓練センター(ACC)、ノイソフトなど、この論文で報告された研究に貢献した参加者が多数います。
この研究は、中国科学院宇宙科学戦略優先研究プログラム(SJ-10回収可能な科学実験衛星)によって資金提供されています。XDA04020405およびXDA04020202-05、および中国国立自然科学財団の共同基金(U1738116)による。
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
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