Thermocapillary Convectie Ruimte Experiment op de SJ-10 Herstelbare Satelliet
Summary
Een protocol voor de ruimte payload ontwerp, de ruimte experiment op thermocapillary convectie, en analyses van experimentele gegevens en beelden worden gepresenteerd in dit papier.
Abstract
Thermocapillary convectie is een belangrijk onderzoeksonderwerp in microzwaartekracht vloeistoffysica. De experimentele studie over oppervlaktegolven van thermocapillary convectie in een ringvormige vloeibare pool is een van de 19 wetenschappelijke experimentele projecten op de SJ-10 herstelbare satelliet. Gepresenteerd is een ontwerp voor een payload voor ruimte experimentele studie over thermocapillary convectie die het experimentele model, meetsysteem, en controlesysteem omvat. De specifieke kenmerken voor de bouw van een experimenteel model van een ringvormige vloeistofpool met variabele volumeverhoudingen worden verstrekt. De vloeistoftemperaturen worden geregistreerd door zes thermokoppels met een hoge gevoeligheid van 0,05 °C op verschillende punten. De temperatuurverdelingen op het vloeistofvrije oppervlak worden vastgelegd door middel van een infrarood thermische camera. De vervorming van het vrije oppervlak wordt gedetecteerd door een verplaatsingssensor met een hoge nauwkeurigheid van 1 μm. Het experimentele proces is volledig geautomatiseerd. Het onderzoek richt zich op thermocapillaraire oscillatieverschijnselen op het vloeistofvrije oppervlak en convectieve patroonovergangen door middel van analyses van experimentele gegevens en beelden. Dit onderzoek zal nuttig zijn om het mechanisme van thermocapillary convectie te begrijpen en zal verdere inzichten bieden in de niet-lineaire kenmerken, stroominstabiliteit en bifurcatieovergangen van thermocapillary convectie.
Introduction
Onder microzwaartekracht omstandigheden in de ruimte, veel interessante fysieke verschijnselen worden gepresenteerd als gevolg van de afwezigheid van zwaartekracht. In een vloeistof met een vrij oppervlak bestaat een nieuw stroomsysteem (d.w.z. thermocapillaraire stroom) dat wordt veroorzaakt door de temperatuurgradiënt of concentratiegradiënt. Anders dan traditionele convectie op de grond, thermocapillary convectie is een alomtegenwoordig fenomeen in de ruimte omgevingen. Omdat het een zeer belangrijk onderzoeksonderwerp is in microzwaartekrachtvloeistoffysica, zijn er zowel in de ruimte als op de grond een aantal experimenten uitgevoerd. Onlangs werden ruimte experimentele studies uitgevoerd op thermocapillary convectie op de SJ-10 herstelbare wetenschappelijke experiment satelliet. Het laadvermogen van het ruimte-experiment bestond uit acht systemen, namelijk een vloeistofexperimentsysteem, vloeistofopslag- en injectiesysteem, temperatuurbeheersingssysteem, thermokoppelmeetsysteem, infraroodthermische camera, verplaatsingssensoren, CCD-beeldacquisitiesysteem en elektrisch controlesysteem, zoals blijkt uit figuur 1 (links). De ruimte-experiment payload voor onderzoek naar oppervlaktegolven van thermocapillary convectie wordt weergegeven in figuur 1 (rechts). Deze studie richtte zich op de instabiliteit van de stroming, oscillatieverschijnselen en overgangen, die belangrijke kenmerken zijn in het overgangsproces van laminaire stroom naar chaos. Studies over deze fundamentele onderwerpen hebben grote betekenis voor onderzoek met betrekking tot een sterke niet-lineaire stroom.
In tegenstelling tot drijfvermogen convectie aangedreven door volumekracht, thermocapillary convectie is een fenomeen veroorzaakt door oppervlaktespanning binnen de interface tussen twee immiscible vloeistoffen. De omvang van de oppervlaktespanning verandert met enkele scalaire parameters, waaronder temperatuur, solute concentratie, en elektrische veldsterkte. Wanneer deze scalaire velden ongelijk verdelen in de interface, zal er een oppervlaktespanningsgradiënt aanwezig zijn op het vrije oppervlak. De vloeistof op het vrije oppervlak wordt aangedreven door de helling van de oppervlaktespanning om van de locatie met een lagere oppervlaktespanning naar die met een grotere oppervlaktespanning te gaan. Deze stroom werd voor het eerst geïnterpreteerd door een Italiaanse natuurkundige, Carlo Marangoni. Vandaar, werd het genoemd het “effect Marangoni”1. Marangoni stroom op het vrije oppervlak strekt zich uit tot de binnenste vloeistof door viscositeit en als gevolg daarvan genereert wat bekend staat als Marangoni convectie.
Strikt genomen verschijnen voor het vloeistofsysteem met een vrij oppervlak, thermocapillary convectie en drijfvermogenconvectie altijd gelijktijdig onder normale zwaartekracht. In het algemeen, voor een macroscopisch convecective systeem, thermocapillary convectie is een klein effect en wordt meestal genegeerd in vergelijking met drijfvermogen convectie. Echter, onder de voorwaarde van een kleinschalig convectiefsysteem of in de microzwaartekracht omgeving, drijfvermogen convectie zal sterk worden verzwakt, of zelfs verdwijnen, en thermocapillary convectie zal dominant worden in het stroomsysteem. Het onderzoek is lange tijd gericht op het convectie op macroschaal drijfvermogen vanwege de beperkingen in menselijke activiteiten en onderzoeksmethoden2,3,4. Echter, in de afgelopen decennia, met de snelle ontwikkeling van de moderne wetenschap en technologie zoals lucht-en ruimtevaart, film, MEMS, en niet-lineaire wetenschap, de noodzaak van verder onderzoek naar thermocapillary convectie is steeds dringender geworden.
Studies met betrekking tot microzwaartekracht hydrodynamica hebben een belangrijke academische betekenis en toepassingsvooruitzichten. Veel dynamicisten, fysische chemici, biologen en materiaalwetenschappers hebben zich verzameld om op dit gebied te werken. Kamotani en Ostrach voltooiden experimenten op thermocapillary convectie in een ringvormige vloeibare pool onder microzwaartekrachtomstandigheden2,5,6,7,8 en waargenomen gestage stroom, oscillatory flow, en kritieke omstandigheden. Schwabe et al. bestudeerden drijfvermogen-thermocapillary convectie in een gelijkaardige ringvormige vloeibare pool3,9 en vonden dat de oscillatory stroom eerst als thermocapillary golven verscheen, en draaide toen aan een complexere stroom met de verhoging van temperatuurverschil. In 2002 rapporteerden Schwabe en Benz et al. een groep experimenten op thermocapillary convectie in een ringvormige vloeibare pool uitgevoerd op de Russische FOTON-12 satelliet4,10. Hun ruimte experimentele resultaten waren in overeenstemming met de grond experimentele resultaten. Sommige Japanse wetenschappers voerden drie reeksen experimenten op vloeibare brug thermocapillary convectie, genaamd de Marangoni Experiment in Space (MEIS), op het International Space Station11,12,13. Sommige experimentele apparatuur, waaronder de camera, thermische imager, thermocouple sensoren, en 3D-PTV en fotochromische technologie, werden toegepast in deze drie taken. De kritieke omstandigheden van thermocapillary convectie bij verschillende aspectratio’s werden bepaald en driedimensionale (3D) stroomstructuren werden waargenomen.
In de afgelopen 30 jaar heeft microzwaartekracht wetenschap een vruchtbare ontwikkeling ondergaan in China14,15,16, en een aantal microzwaartekracht experimenten zijn uitgevoerd in de ruimte17,18. Op het gebied van vloeibare fysica, de eerste microzwaartekracht experiment was de studie van twee-laags vloeistof op de SJ-5 herstelbare satelliet in 1999, en de stroomstructuur werd verkregen door de deeltjes traceermethode14. In 2004 werd de studie naar thermocapillaraire migratie van een druppel uitgevoerd op de SZ-4, en de relatie tussen migratiesnelheid en kritische Mach (Ma) nummer werd verkregen15,16. In 2005 werd de experimentele studie over multi-bubble thermocapillaraire migratie uitgevoerd op de JB-417, en de migratieregels werden verkregen omdat het Ma-aantal werd verhoogd tot 8.000. Ondertussen werden ook problemen als bellen samensmelten bestudeerd. In 2006 werd de studie naar verspreidingsmassaoverdracht uitgevoerd op de SJ-8 herstelbare satelliet, werd de Mach-Zehnder interferometer voor het eerst toegepast in het ruimte-experiment, werd het proces van verspreiding massaoverdracht waargenomen en werd de diffusiecoëfficiënt geëvalueerd18.
In de afgelopen jaren is een reeks grondexperimentele studies uitgevoerd gericht op oscillatie- en bifurcatieprocessen in thermocapillary convectie en het gekoppelde effect van drijfvermogen en thermocapillaraire kracht is geanalyseerd. Uit de experimentele resultaten blijkt dat het drijfvermogeneffect niet kan worden genegeerd in grondexperimenten, aangezien het in veel gevallen een dominante rol speelt in veel gevallen19,20,21,22. In 2016 werden twee microzwaartekrachtexperimenten uitgevoerd om thermocapillary convectie in de vloeibare brug op de TG-2 en thermocapillary convectie in de ringvormige vloeistofpool op de SJ-10 herstelbare satelliet23,24te onderzoeken. Het huidige papier introduceert de experimentele lading van thermocapillary convectie op de SJ10, en de ruimte experiment resultaten. Deze methoden zullen nuttig zijn bij het verkennen van het mechanisme van thermocapillary oscillatie.
Om de convectieve patroonovergang, temperatuuroscillatie en vloeistofvrije oppervlaktevervorming te observeren, zes thermokoppels, een infraroodthermische camera en een verplaatsingssensor om de frequentie, amplitude en andere fysieke hoeveelheden te kwantificeren van de schommeling werden gebruikt. Door onderzoek naar oscillatie en overgang in thermocacapillaire convectie in de ruimte kan het mechanisme van thermocacapaire convectie in de microzwaartekrachtomgeving, die wetenschappelijke richtlijnen biedt voor de groei van materialen in de ruimte, ontdekt en begrepen. Bovendien zullen technologische doorbraken in dergelijke ruimte-experimenten, zoals de technieken van vloeibaar oppervlakteonderhoud en vloeibare injectie zonder bellen, de eenvoud en het technische niveau van microzwaartekrachtexperimenten in vloeistof verder verbeteren Natuurkunde.
Dit document introduceert de payload ontwikkeling en ruimte experiment van de thermocapillary oppervlaktegolf project uitgevoerd op de SJ-10 wetenschappelijke experimentele satelliet. Als een ruimte experiment payload, dit thermocapillary convectie systeem heeft een sterke anti-vibratie vermogen om gewelddadige schok te voorkomen, vooral tijdens de satelliet lancering proces. Om te voldoen aan de vereisten van de bediening op afstand, wordt het ruimte-experimentproces automatisch geregeld en kunnen de experimentele gegevens in de ruimte worden doorgegeven aan het grondsignaalontvangststation van het ruimtevaartuig en vervolgens naar de experimentele Platform.
Protocol
Representative Results
Discussion
Door de beperking van de ruimtebronnen bedraagt het volume van de apparatuur als geheel slechts 400 mm × 352 mm × 322 mm, met een gewicht van slechts 22,9 ± 0,2 kg. Dit is erg lastig bij het selecteren en leggen van experimentele apparaten, en de oprichting van het stroomsysteem wordt de kritieke stap. Daarom wordt het toenemende temperatuurverschil ingesteld aan twee uiteinden van de vloeistofpool, zodat de vloeistof een reeks stroomverschijnselen kan genereren. Om het hele proces van de convectie van steady naar osc…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Er zijn veel deelnemers die hebben bijgedragen aan het werk gemeld in deze krant, met inbegrip van alle leden van ons projectteam, evenals een aantal mensen van de Astronauten onderzoeks-en opleidingscentrum (ACC) en Neusoft.
Dit werk wordt gefinancierd door het Strategic Priority Research Program on Space Science, Chinese Academy of Sciences: SJ-10 Recoverable Scientific Experiment Satellite (Grant No. XDA04020405 en XDA04020202-05), en door het gezamenlijke fonds van de National Natural Science Foundation of China (U1738116).
Materials
| 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. The Marangoni effect. Nature. 187, 186-188 (1960).
- Effects of heating mode on steady antisymmetric thermocapillary flows in microgravity. Heat Transfer in Microgravity Systems, Trans. American Society of Mechanical Engineers Available from: https://heattransfer.asmedigitalcollection.asme.org/ (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), 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).
