Термокапиллярный конвекционный космический эксперимент на восстанавливаемом спутнике SJ-10
Summary
В настоящей статье представлен протокол проектирования космической полезной нагрузки, космический эксперимент по термокапиллярной конвекции и анализ экспериментальных данных и изображений.
Abstract
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.
Introduction
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.
Protocol
Representative Results
Discussion
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 измен…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
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).
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).
