Das Verständnis der Auswirkungen von Oszillation und Bifurkation in der thermokapillaren Konvektion ist wichtig für die Untersuchung eines starken nichtlinearen Flusses im Raum. Aufgrund begrenzter Platzressourcen und -bedingungen sollte die experimentelle Nutzlast klein, leicht und vibrationsfeindlich sein. Durchbrüche der Weltraumtechnologie, wie die Durchführung der Flüssigkeitsoberflächenwartung und die Flüssigkeitsinjektion ohne Blasen, können die technische Kapazität von Mikrogravitationsexperimenten in der Fluidphysik weiter verbessern.
Um den Konvektionsübergang, die Temperaturschwingung und die Oberflächenverformung einer Flüssigkeit zu beobachten, müssen Thermoelemente, eine Infrarot-Wärmebildkamera und ein Verdrängungssensor verwendet werden. Demonstriert wird das Verfahren von Wang Jia, Wu Di und Hu Liang, Technikern aus meinem Labor. Beginnen Sie mit dem Bau eines kupfernularen Flüssigkeitsbeckens mit einem Innenradius von vier Millimetern Durchmesser und einem Außenradius von 20 Millimetern Durchmesser und einer Höhe von 12 Millimetern.
Verwenden Sie eine Polysulfonplatte mit einem Durchmesser von 20 Millimetern als Boden des Flüssigkeitspools, und bohren Sie ein kleines Loch mit zwei Millimetern Durchmesser sechs Millimeter von der Mitte der Platte als flüssiges Injektionsloch entfernt. Fügen Sie scharfe, 45-Grad-Winkel-Ecken an der inneren und äußeren Seitenwände, und wenden Sie Anti-Creeping-Flüssigkeit auf die Innen-und Außenwände auf eine Höhe von mehr als 12 Millimeter. Als Nächstes wählen Sie ein geeignetes niedrigviskoses Silikonöl als Arbeitsflüssigkeit und erhitzen Sie die Flüssigkeit auf 60 Grad Celsius.
Um ein Gas aus dem Öl zu entladen, wenden Sie weniger als 150 Pascal Druck für sechs Stunden, gefolgt von Staubsauger des Flüssigkeitsspeichersystems, bis der Druck knapp unter 200 Pascal erreicht. Dann entlasten Sie das Ventil, damit das Silikonöl den vakuumierten Zylinder ohne Gas füllen kann. Um das Einspritzsystem für die Arbeitsflüssigkeit einzurichten, wählen Sie einen Schrittmotor, um die Einspritzung und Absaugung der Flüssigkeit anzutreiben, und wenden Sie ein Magnetventil an, um den Ein-/Ausschalter des Einspritzsystems zu steuern.
Verwenden Sie eine Universalverbindung, um den Schrittmotor mit dem Flüssigkeitszylinder zu verbinden, und verwenden Sie ein Rohr mit vier Millimetern Außendurchmesser, um den Flüssigkeitszylinder, das Magnetventil und die Einspritzbohrung sukzessive zu verbinden. Um das Messsystem einzurichten, platzieren Sie sechs Thermoelemente im Flüssigkeitsbecken, um die Temperaturen an verschiedenen Punkten zu messen, wie in der Abbildung dargestellt. Platzieren Sie eine Infrarotkamera direkt über der flüssigen Oberfläche, und drehen Sie das Objektiv, um den Fokus einzustellen und die Temperaturfeldinformationen auf der flüssigkeitsfreien Oberfläche zu sammeln.
Passen Sie den Verschiebungssensor an, um die Verschiebung eines bestimmten Sehenswürdigkeiten auf der flüssigen Oberfläche zu messen, und verwenden Sie die CCD-Kamera, um sich auf die flüssige Oberfläche zu konzentrieren. Zeichnen Sie dann die Änderung der freien Oberfläche auf. Um das Experiment zu starten, starten Sie die Experimentsteuerungssoftware, und schalten Sie die Ein-/Aus-Taste ein.
Um die Flüssigkeitsinjektion durchzuführen, wenden Sie 12 Volt auf das Magnetventil an, um das Ventil zu öffnen. Schalten Sie als Nächstes die Motortaste ein, um den Motor mit einem Schritt von 2,059 Millimetern zu starten, um 10, 305 Milliliter Silikonöl in den Flüssigkeitspool zu injizieren. Wenn das gesamte Öl geliefert wurde, schalten Sie die Magnetventilleistung aus, um das Magnetventil zu schließen.
Um eine lineare Erwärmung durchzuführen, legen Sie die Heizzieltemperatur auf 50 Grad Celsius, die Kühlzieltemperatur auf 15 Grad Celsius und die Heizrate auf 0,5 Grad Celsius pro Minute fest. Für die Datenerfassung stellen Sie die Abtastfrequenz des Infrarot-Imagers auf 7,5 Hertz, die Thermoelementfrequenz und den Verschiebungssensor auf 20 Hertz und die CCD-Frequenz auf 24 Hertz ein. Wenn alle Parameter festgelegt sind, klicken Sie auf die Schaltfläche Datenerfassungssystem, und überwachen Sie die Temperatur, Verschiebung und andere Informationen, die für die Computersoftware von Interesse sind.
Schalten Sie am Ende der Analyse die Stromversorgung aus. Diese experimentellen Modell- und Messmethoden wurden in diese Nutzlast auf dem SJ-10-Satelliten integriert. 23 Mikrogravitationsexperimente zur thermokapillaren Konvektion der Oberflächenwelle sind abgeschlossen.
In diesen Infrarot-Thermobildern der Temperaturverteilungen auf einer flüssigkeitsfreien Oberfläche in thermokapillarer Konvektion können eine Vielzahl von oszillatonigen Strömungsmustern beobachtet werden, einschließlich radialer Schwingungen und im Uhrzeigersinn und umlaufenden Umlaufdrehungen. In diesem repräsentativen Experiment stiegen die Temperaturen im Inneren der Flüssigkeit linear mit dem Temperaturunterschied, wobei das Temperaturfeld periodisch schwankte, sobald der Temperaturunterschied einen bestimmten Schwellenwert überschritt, was darauf hindeutet, dass sich die thermokapillare Konvektion von einem stabilen Zustand zu einem oszillierenden Zustand entwickelt hat. Darüber hinaus wuchs die Amplitude der Oszillationstemperatur, als sich das Strömungsfeld entwickelte, wie in dieser Spektrumanalyse angegeben, was zeigt, dass die kritische Schwingungsfrequenz 0,064 Hertz betrug.
Obwohl die Auftriebskonvektion des kleinräumigen Bodensystems geschwächt war, war der Fluss immer noch eine Kopplung von thermokapillaren und auftriebsförmigen Konvektionen, wobei unterschiedliche Ergebnisse in Weltraumexperimenten beobachtet wurden, verglichen die Ergebnisse, die in Bodenexperimenten erzielt wurden. Durch den Vergleich einer großen Anzahl von Verformungsdaten für die flüssigkeitsfreie Oberfläche, die vom Verdrängungssensor gemessen wird, und den Temperaturdaten der Flüssigkeit, die von den Thermoelementen gemessen werden, wurde auch beobachtet, dass die Oberflächenverformung und das Temperaturfeld in der Flüssigkeit gleichzeitig und mit der gleichen Frequenz zu oszillieren begannen. Diese beiden Schlüsseltechnologien, die Aufrechterhaltung einer flüssigen Oberfläche und die Injektion von Flüssigkeiten ohne Blasenbildung, spielen eine wesentliche Rolle in der Experimentraumforschung.
Wir hoffen, dass die vorliegende Arbeit eine wissenschaftliche Grundlage und technische Unterstützung für Zuschauer bieten kann, die daran interessiert sind, diese Techniken zu versuchen.
