Thermokapillarkonvektionsraumexperiment auf dem SJ-10 Recoverable Satellite
Summary
In diesem Beitrag werden ein Protokoll für die Raumnutzlastgestaltung, das Raumexperiment zur thermokapillaren Konvektion und Analysen experimenteller Daten und Bilder vorgestellt.
Abstract
Die thermokapillare Konvektion ist ein wichtiges Forschungsthema in der Mikrogravitationsflüssigkeitsphysik. Die experimentelle Studie über Oberflächenwellen der thermokapillaren Konvektion in einem ringförmigen Flüssigkeitspool ist eines der 19 wissenschaftlichen Versuchsprojekte auf dem sJ-10-Satelliten. Präsentiert wird ein Entwurf für eine Nutzlast für weltraumexperimentelle Studien zur thermokapillaren Konvektion, die das experimentelle Modell, das Messsystem und das Steuerungssystem umfasst. Die Einzelheiten für den Bau eines Versuchsmodells eines ringförmigen Flüssigkeitspools mit variablen Volumenverhältnissen sind angegeben. Die Flüssigkeitstemperaturen werden von sechs Thermoelementen mit einer hohen Empfindlichkeit von 0,05 °C an verschiedenen Stellen aufgezeichnet. Die Temperaturverteilungen auf der flüssigkeitsfreien Oberfläche werden mit hilfe einer Infrarot-Wärmebildkamera erfasst. Die freie Oberflächenverformung wird von einem Verdrängungssensor mit einer hohen Genauigkeit von 1 m erfasst. Der experimentelle Prozess ist vollautomatisiert. Die Forschung konzentriert sich auf thermokapillare Schwingungsphänomene auf der flüssigkeitsfreien Oberfläche und konvektive Musterübergänge durch Analysen experimenteller Daten und Bilder. Diese Forschung wird hilfreich sein, um den Mechanismus der thermokapillaren Konvektion zu verstehen und weitere Einblicke in die nichtlinearen Eigenschaften, Strömungsinstabilität und Bifurkationsübergänge der thermokapillaren Konvektion zu bieten.
Introduction
Unter Deraschwereim Raum werden aufgrund der fehlenden Schwerkraft viele interessante physikalische Phänomene dargestellt. In einer Flüssigkeit mit freier Oberfläche gibt es ein neues Strömungssystem (d.h. thermokapillaren Fluss), das durch den Temperaturgradienten oder Konzentrationsgradienten verursacht wird. Anders als die traditionelle Konvektion am Boden ist die thermokapillare Konvektion ein allgegenwärtiges Phänomen in Weltraumumgebungen. Da es sich um ein sehr wichtiges Forschungsthema in der Mikrogravitations-Flüssigkeitsphysik handelt, wurden eine Reihe von Experimenten im Weltraum und am Boden durchgeführt. Kürzlich wurden experimentelle Weltraumstudien zur thermokapillaren Konvektion auf dem sJ-10-reproduzierbaren wissenschaftlichen Experimentiersatelliten durchgeführt. Die Nutzlast des Weltraumexperiments bestand aus acht Systemen, nämlich einem Flüssigkeitsexperiment, Flüssigkeitsspeicher und Injektionssystem, Temperaturregelungssystem, Thermoelement-Messsystem, Infrarot-Wärmebildkamera, Verdrängungssensoren, CCD-Bildaufnahmesystem und elektrischer Steuerung, wie in Abbildung 1 (links) dargestellt. Die Nutzlast des Weltraumexperiments für die Erforschung von Oberflächenwellen der thermokapillaren Konvektion ist in Abbildung 1 (rechts) dargestellt. Diese Studie konzentrierte sich auf die Instabilität von Strömung, Schwingungsphänomenen und Übergängen, die wichtige Merkmale im Übergangsprozess vom laminaren Fluss zum Chaos sind. Studien zu diesen grundlegenden Themen haben eine große Bedeutung für die Forschung über starke nichtlineare Strömung.
Im Gegensatz zur Auftriebskonvektion, die durch Volumenkraft angetrieben wird, ist die thermokapillare Konvektion ein Phänomen, das durch Oberflächenspannung innerhalb der Schnittstelle zwischen zwei nicht mischbaren Flüssigkeiten verursacht wird. Die Größe der Oberflächenspannung ändert sich mit einigen skalaren Parametern, einschließlich Temperatur, gelöster Konzentration und elektrischer Feldstärke. Wenn sich diese Skalarfelder ungleichmäßig in der Schnittstelle verteilen, ist auf der freien Oberfläche ein Oberflächenspannungsgradient vorhanden. Die Flüssigkeit auf der freien Oberfläche wird durch den Oberflächenspannungsgradienten angetrieben, um sich von der Position mit geringerer Oberflächenspannung zu der Position mit größerer Oberflächenspannung zu bewegen. Dieser Fluss wurde zuerst von einem italienischen Physiker, Carlo Marangoni, interpretiert. Daher wurde es der “Marangoni-Effekt”1genannt. Marangoni-Fluss auf der freien Oberfläche erstreckt sich auf die innere Flüssigkeit durch Viskosität und als Ergebnis erzeugt, was als Marangoni Konvektion bekannt ist.
Streng genommen erscheinen für das Fluidsystem mit freier Oberfläche thermokapillare Konvektion und Auftriebskonvektion immer gleichzeitig unter normaler Schwerkraft. Im Allgemeinen ist die thermokapillare Konvektion bei einem makroskopischen konvektiven System eine geringfügige Wirkung und wird in der Regel im Vergleich zur Auftriebskonvektion ignoriert. Unter der Bedingung eines kleinen konvektiven Systems oder in der Umgebung der Schwerelosigkeit wird die Auftriebskonvektion jedoch stark geschwächt oder sogar verschwinden, und die thermokapillare Konvektion wird im Strömungssystem dominant werden. Seit langem konzentriert sich die Forschung auf die makroskalige Auftriebskonvektion aufgrund der Einschränkungen menschlicher Aktivitäten und Forschungsmethoden2,3,4. In den letzten Jahrzehnten, mit der rasanten Entwicklung moderner Wissenschaft und Technologie wie Luft- und Raumfahrt, Film, MEMS und nichtlinearer Wissenschaft, ist die Notwendigkeit weiterer Forschung entoronischer Konvektion immer dringlicher geworden.
Studien zur Mikrogravitationshydrodynamik haben eine wichtige akademische Bedeutung und Anwendungsperspektiven. Viele Dynamiker, Physikchemiker, Biologen und Materialwissenschaftler haben sich versammelt, um auf diesem Gebiet zu arbeiten. Kamotani und Ostrach schlossen Experimente zur thermokapillaren Konvektion in einem ringförmigen Flüssigkeitspool unter Mikrogravitationsbedingungen2,5,6,7,8 und beobachteten stetigen Fluss, Oszillatorfluss und kritische Bedingungen. Schwabe et al. untersuchten die lebhafte-thermokapillare Konvektion in einem ähnlichen ringförmigen Flüssigkeitspool3,9 und fanden heraus, dass der oszillierende Fluss zuerst als thermokapillare Wellen erschien und sich dann zu einem komplexeren Fluss mit dem Anstieg der Temperaturdifferenz wandte. Im Jahr 2002 berichteten Schwabe und Benz et al. über eine Gruppe von Experimenten zur thermokapillaren Konvektion in einem ringförmigen Flüssigkeitspool, die auf dem russischen FOTON-12-Satelliten4,10durchgeführt wurden. Ihre Weltraumexperimente stimmten mit den bodenexperimentellen Ergebnissen überein. Einige japanische Wissenschaftler führten drei Versuchsreihen zur thermokapillaren Konvektion von Flüssigkeitsbrücken, genannt Marangoni-Experiment im Weltraum (MEIS), auf der Internationalen Raumstation11,12,13durch. Einige experimentelle Geräte, einschließlich der Kamera, Wärmebildkamera, Thermoelementsensoren und 3D-PTV und photochrome Technologie, wurden in diesen drei Aufgaben eingesetzt. Die kritischen Bedingungen der thermokapillaren Konvektion bei unterschiedlichen Seitenverhältnissen wurden bestimmt und dreidimensionale (3D) Strömungsstrukturen beobachtet.
In den letzten 30 Jahren hat sich die Mikrogravitationswissenschaft in China einer fruchtbaren Entwicklung unterzogen14,15,16, und eine Reihe von Mikrogravitationsexperimenten wurden im Weltraum17,18durchgeführt. Im Bereich der Fluidphysik war das erste Mikrogravitationsexperiment die Untersuchung von zweischichtigem Fluid auf dem sJ-5-reproduzierbaren Satelliten im Jahr 1999, und die Strömungsstruktur wurde durch die Partikelverfolgungsmethode14erhalten. Im Jahr 2004 wurde die Studie über die thermokapillare Migration eines Tröpfchens an der SZ-4 durchgeführt, und die Beziehung zwischen Migrationsgeschwindigkeit und kritischer Mach (Ma)-Zahl wurde15,16erhalten. Im Jahr 2005 wurde die experimentelle Studie zur Multibubble-Thermokapillarmigration an der JB-417durchgeführt, und die Migrationsregeln wurden ermittelt, da die Ma-Zahl auf 8.000 erhöht wurde. In der Zwischenzeit wurden auch Probleme wie die Blasenverschmelzung untersucht. Im Jahr 2006 wurde die Studie über den Diffusionsmassentransfer auf dem sJ-8-reseduzierbaren Satelliten durchgeführt, das Mach-Zehnder Interferometer wurde erstmals im Weltraumexperiment eingesetzt, der Prozess der Diffusionsmassenübertragung wurde beobachtet und der Diffusionskoeffizient wurde18ausgewertet.
In den letzten Jahren wurden eine Reihe von experimentellen Bodenstudien durchgeführt, die sich auf Schwingungs- und Bifurkationsprozesse in der thermokapillaren Konvektion konzentrierten, und die gekoppelte Wirkung von Auftrieb und thermokapillarer Kraft wurde analysiert. Experimentelle Ergebnisse zeigen, dass der Auftriebseffekt bei Bodenexperimenten nicht ignoriert werden kann, da er in vielen Fällen eine dominierende Rolle spielt19,20,21,22. Im Jahr 2016 wurden zwei Mikrogravitationsexperimente durchgeführt, um die thermokapillare Konvektion in der flüssigen Brücke auf der TG-2 und die thermokapillare Konvektion im ringförmigen Flüssigkeitspool auf dem sJ-10-reagierbaren Satelliten23,24zu erforschen. Das vorliegende Papier stellt die experimentelle Nutzlast der thermokapillaren Konvektion auf dem SJ10 und die Ergebnisse des Weltraumexperiments vor. Diese Methoden werden bei der Erforschung des Mechanismus der thermokapillaren Oszillation hilfreich sein.
Um den konvektiven Musterübergang, die Temperaturschwingung und die flüssigkeitsfreie Oberflächenverformung zu beobachten, werden sechs Thermoelemente, eine Infrarot-Wärmebildkamera und ein Verschiebungssensor zur Quantifizierung der Frequenz, Amplitude und anderer physikalischer Größen der Schwingung verwendet wurden. Durch Untersuchungen zur Schwingung und über den Übergang in der thermokapillaren Konvektion im Weltraum kann der Mechanismus der thermokapillaren Konvektion in der Schwerelosigkeitsumgebung, der wissenschaftliche Hinweise für das Wachstum von Materialien im Weltraum bietet, entdeckt und verstanden werden. Darüber hinaus werden technologische Durchbrüche in solchen Weltraumexperimenten, wie die Techniken der Flüssigkeitsoberflächenwartung und der Flüssigkeitsinjektion ohne Blasen, die Einfachheit und das technische Niveau von Mikrogravitationsexperimenten in Flüssigkeiten weiter verbessern. Physik.
In diesem Beitrag werden die Nutzlastentwicklung und das Weltraumexperiment des thermokapillaren Oberflächenwellenprojekts vorgestellt, das auf dem wissenschaftlichen Experimentalsatelliten SJ-10 durchgeführt wurde. Als Nutzlast des Weltraumexperiments verfügt dieses thermokapillare Konvektionssystem über eine starke Vibrationsabwehrfähigkeit, um heftigen Schock zu verhindern, insbesondere während des Satellitenstartprozesses. Um den Anforderungen der Fernbedienung gerecht zu werden, wird der Weltraumexperimentprozess automatisch gesteuert, und die Weltraumexperimente können an die Bodensignalempfangsstation der Raumsonde und dann an die experimentellen Plattform.
Protocol
Representative Results
Discussion
Aufgrund der Begrenzung der Platzressourcen beträgt das Volumen der Ausrüstung insgesamt nur 400 mm x 352 mm x 322 mm, mit einem Gewicht von nur 22,9 x 0,2 kg. Dies ist sehr umständlich bei der Auswahl und Demerstellung von Versuchsgeräten, und die Etablierung des Strömungssystems wird zum entscheidenden Schritt. Daher wird die steigende Temperaturdifferenz an zwei Enden des Flüssigkeitsbeckens eingestellt, so dass die Flüssigkeit eine Reihe von Strömungsphänomenen erzeugen kann. Um den gesamten Prozess der Konv…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Es gibt viele Teilnehmer, die an der arbeit beigetragen haben, die in dieser Zeitung berichtet wurde, einschließlich aller Mitglieder unseres Projektteams, sowie einige Leute vom Astronauts Research and Training Center (ACC) und Neusoft.
Diese Arbeit wird durch das Strategic Priority Research Program on Space Science, Chinese Academy of Sciences: SJ-10 Recoverable Scientific Experiment Satellite (Grant No. XDA04020405 und XDA04020202-05) und durch den gemeinsamen Fonds der 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
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