ניסוי בחלל החום התרמונימי על לווין ההשבה של SJ-10
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.
Protocol
Representative Results
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 להתבו…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
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
| 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).
