Thermokapillarkonvektionsraumexperiment auf dem SJ-10 Recoverable Satellite

Zusammenfassung

In diesem Beitrag werden ein Protokoll für die Raumnutzlastgestaltung, das Raumexperiment zur thermokapillaren Konvektion und Analysen experimenteller Daten und Bilder vorgestellt.

Zusammenfassung

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.

Einleitung

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 Forschungsmethoden^2,3,4. 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 Mikrogravitationsbedingungen^2,5,6,7,8 und beobachteten stetigen Fluss, Oszillatorfluss und kritische Bedingungen. Schwabe et al. untersuchten die lebhafte-thermokapillare Konvektion in einem ähnlichen ringförmigen Flüssigkeitspool^3,9 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-Satelliten^4,10durchgeführt 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 Raumstation^11,12,13durch. 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 unterzogen^14,15,16, und eine Reihe von Mikrogravitationsexperimenten wurden im Weltraum^17,18durchgeführt. 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 wurde^15,16erhalten. 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 spielt^19,20,21,22. 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 Satelliten^23,24zu 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.

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Protokoll

1. Konzeption und Vorbereitung des Versuchssystems

1. Bauen Sie den ringförmigen Flüssigkeitspool.
   1. Bauen Sie einen kupfernularen Flüssigkeitspool mit einem Innendurchmesser von R_i = 4 mm und einem Außendurchmesser von R_o = 20 mm und d = 12 mm in der Höhe.
   2. Verwenden Sie eine Polysulfonplatte mit einem Durchmesser von R_P = 20 mm als Boden des Flüssigkeitspools (siehe Materialtabelle).
   3. Bohren Sie ein kleines Loch mit einem Durchmesser von 2 mm in der Nähe der Innenwand (6 mm vom Kreismitte entfernt) als flüssiges Einspritzloch.
2. Pflegen Sie die Schnittstelle.
   1. Fügen Sie scharfe Ecken (45° Winkel) an der inneren und äußeren Seitenwände (Abbildung 2).
   2. Antikriechmittel²¹ (siehe Materialtabelle)auf die Innen- und Außenwände auf eine Höhe von mehr als 12 mm auftragen.
3. Bereiten Sie das Lagersystem der arbeitsfähigen Flüssigkeit vor.
   1. Wählen Sie 2cSt Silikonöl als Arbeitsflüssigkeit (siehe Tabelle der Materialien).
   2. Verwenden Sie einen Hydraulikzylinder als Behälter für die Lagerung des Silikonöls (siehe Tabelle der Materialien).
   3. Injizieren Sie die Arbeitsflüssigkeit vor dem Start mit der blasenfreien Technik in den Hydraulikzylinder.
      HINWEIS: Blasen, die in der Arbeitsflüssigkeit aufgehängt werden, führen zum Scheitern des Experiments.
      1. Entladen Sie das Gas im Silikonöl, indem Sie die Flüssigkeit auf 60 °C erwärmen und etwa 6 h Druck <150 Pa anwenden.
      2. Vakuumieren Sie das Flüssigkeitsspeichersystem, bis sein Druck <200 Pa ist.
      3. Entlasten Sie das Ventil, damit das Silikonöl den vakuumierten Zylinder ohne Gas füllen kann (Abbildung 3).
4. Richten Sie das Injektionssystem für die Arbeitsflüssigkeit ein.
   1. Wählen Sie einen Schrittmotor aus, um die Einspritzung oder Absaugung von Flüssigkeit anzutreiben (siehe Tabelle der Materialien).
   2. Tragen Sie ein Magnetventil auf, um den Einschaltschalter des Einspritzsystems zu steuern (siehe Materialtabelle).
   3. Verbinden Sie den Schrittmotor mit einem Universalgelenk an den Flüssigkeitszylinder (Abbildung 4).
   4. Verbinden Sie den Flüssigkeitszylinder, das Magnetventil und die Einspritzbohrung sukzessive mit einem Rohr mit einem Außendurchmesser von 4 mm.

2. Aufbau des Temperaturregelungssystems

1. Den Innenzylinder mit einem Heizfilm einbetten (Widerstand R_t = 14,4 x 0,5 °C) und messen Sie die Temperatur T_i mit einem K-Thermoelement (siehe Materialtabelle).
2. Befestigen Sie symmetrisch sechs Kühlchips (alle zwei Späne sind als Gruppe parallel verbunden und drei Gruppen sind in einer Reihe verbunden) an die Außenwand und erhalten die Außenwandtemperatur T_o mit einem zusätzlichen K-Thermoelement.
   ANMERKUNG: Die Temperaturdifferenz beträgtT = T_i - T_o.

3. Einrichtung des Messsystems

HINWEIS: Alle Geräte können per Software gesteuert werden.

1. Legen Sie sechs Thermoelemente (T₁ - T₆) in den Flüssigkeitspool, um die Temperaturen an verschiedenen Punkten zu messen. Das detaillierte Layout ist in Abbildung 5dargestellt.
2. Platzieren Sie die Infrarotkamera direkt über der flüssigen Oberfläche, und drehen Sie die Linse, um den Fokus einzustellen und die Temperaturfeldinformationen auf der flüssigkeitsfreien Oberfläche zu sammeln (siehe Tabelle der Materialien).
3. Passen Sie den Verschiebungssensor an, um die Verschiebung eines bestimmten Punkts (r = 12 mm) auf der flüssigen Oberfläche zu messen (siehe Materialtabelle).
   HINWEIS: Für diese Nutzlast wird der Laserverschiebungssensor verwendet, um eine 100-Fach-Hochgeschwindigkeits-Probenahme zu realisieren, bei der es sich um eine ultrahochpräzise Messmethode mit einer Auflösung von 1 m und einer Linearität von 0,1 % F.S. handelt.
4. Verwenden Sie die CCD-Kamera, um sich auf die flüssige Oberfläche zu konzentrieren und die Veränderung der freien Oberfläche aufzuzeichnen (siehe Tabelle der Materialien, Abbildung 6).
   HINWEIS: Die Anzahl der effektiven Pixel ist 752 x 582, und die minimale Beleuchtung ist 1.6 Lux/F2.0.

4. Experimenteller Prozess

1. Starten Sie die Experimentsteuerungssoftware und schalten Sie die Ein-/Aus-Taste ein.
2. Führen Sie die Flüssigkeitsinjektion durch.
   1. Tragen Sie 12 V auf das Magnetventil auf, um es zu öffnen.
   2. Schalten Sie den Motorknopf ein, um den Motor in einem Schritt von 2.059 mm zu drücken und 10.305 ml Silikonöl in den Flüssigkeitspool zu injizieren.
   3. Schalten Sie die Magnetventilleistung aus, um das Magnetventil zu schließen.
3. Führen Sie eine lineare Erwärmung durch.
   1. Stellen Sie die Versuchsbedingungen wie folgt ein: Heizzieltemperatur T_i = 50 °C; Kühlzieltemperatur T_o = 15 °C; heizrate = 0.5 °C/min.
4. Sammeln Sie Daten.
   1. Stellen Sie die entsprechenden Abtastfrequenzen des Infrarot-Imagers, thermoelements, des Verschiebungssensors und ccD auf 7,5 Hz, 20 Hz, 20 Hz bzw. 25 Hz ein.
   2. Klicken Sie auf die Schaltfläche für das Datenerfassungssystem, und überwachen Sie die Temperatur, Verschiebung und andere Informationen mithilfe der Computersoftware (Abbildung 7).
5. Schalten Sie die Ein-/Aus-Taste aus.
   HINWEIS: Warten Sie 1 h, damit die Temperaturen der heißen und kalten Enden der Umgebungstemperatur für das folgende Experiment entsprechen.

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Ergebnisse

Das genaue Volumenverhältnis wurde definiert, und die Flüssigoberflächentopographie wurde auf der Grundlage der vom CCD aufgenommenen Bilder rekonstruiert. Der kritische Instabilitätszustand wurde bestimmt, und die Schwingungseigenschaften wurden durch Analysen an Einpunkttemperatursignalen und Verschiebungsschwingungssignalen untersucht. Die Struktur des Strömungsfeldes wurde ermittelt, und der Übergang des Strömungsmusters wurde durch die Änderung des Infrarotbildes mit der Zeit...

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Diskussion

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...

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Materialien

Name	Company	Catalog Number	Comments
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