SJ-10 Kurtarılabilir Uyduda Termokapiller Konveksiyon Uzay Deneyi
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.
Protocol
Representative Results
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,…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
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
| 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).
