Comprender los efectos de la oscilación y la bifurcación en la convección termocapillaria es importante para el estudio de un fuerte flujo no lineal en el espacio. Debido a los recursos y condiciones de espacio limitado, la carga útil experimental debe ser pequeña en tamaño, ligera en peso, y poseer capacidades anti-vibración. Los avances de la tecnología espacial, como la realización de mantenimiento de superficie líquida y la inyección de líquidos sin burbujas, pueden mejorar aún más la capacidad técnica de los experimentos de microgravedad en la física de fluidos.
Observar la transición de convección, la oscilación de temperatura y la deformación superficial de un líquido requiere el uso de termopares una cámara térmica infrarroja y un sensor de desplazamiento. Demostrar el procedimiento serán Wang Jia, Wu Di y Hu Liang, técnicos de mi laboratorio. Comience construyendo una piscina de líquido anular de cobre con un radio interior de cuatro milímetros de diámetro y un radio exterior de 20 milímetros de diámetro y una altura de 12 milímetros.
Usa una placa de polisulfona de 20 milímetros de diámetro como la parte inferior de la piscina líquida, y perfora un pequeño agujero de dos milímetros de diámetro a seis milímetros de distancia del centro de la placa como el orificio de inyección de líquido. Añade esquinas afiladas de 45 grados en las paredes laterales interior y exterior, y aplica líquido anti-creeping a las paredes interiores y exteriores a una altura superior a 12 milímetros. A continuación, seleccione un aceite de silicona de baja viscosidad adecuado como fluido de trabajo y caliente el líquido a 60 grados centígrados.
Para descargar cualquier gas del aceite, aplique menos de 150 pascales de presión durante seis horas, seguidos de la aspiradora del sistema de almacenamiento de líquidos hasta que la presión alcance poco menos de 200 pascales. A continuación, relese la válvula para permitir que el aceite de silicona llene el cilindro aspirado sin gas. Para configurar el sistema de inyección para el líquido de trabajo, seleccione un motor de paso para conducir la inyección y succión de líquido, y aplique una válvula solenoide para controlar el interruptor de encendido/apagado del sistema de inyección.
Utilice una unión universal para conectar el motor de paso al cilindro de líquido y utilice un tubo de cuatro milímetros de diámetro exterior para conectar sucesivamente el cilindro líquido, la válvula solenoide y el orificio de inyección. Para establecer el sistema de medición, coloque seis termopares dentro de la piscina líquida para medir las temperaturas en diferentes puntos, como se ilustra en la figura. Coloque una cámara infrarroja directamente sobre la superficie líquida y gire la lente para ajustar el enfoque y recopilar la información del campo de temperatura en la superficie libre de líquido.
Ajuste el sensor de desplazamiento para medir el desplazamiento de un punto de interés específico en la superficie líquida y utilice la cámara CCD para centrarse en la superficie líquida. A continuación, registre el cambio de la superficie libre. Para comenzar el experimento, inicie el software de control del experimento y active el botón de encendido.
Para realizar la inyección de líquido, aplique 12 voltios a la válvula solenoide para abrir la válvula. A continuación, encienda el botón del motor para arrancar el motor en un paso de 2.059 milímetros para inyectar 10, 305 mililitros de aceite de silicona en la piscina líquida. Cuando se haya entregado todo el aceite, apague la potencia de la válvula solenoide para cerrar la válvula solenoide.
Para realizar el calentamiento lineal, establezca la temperatura objetivo de calentamiento en 50 grados Celsius, la temperatura objetivo de enfriamiento a 15 grados Celsius y la tasa de calentamiento a 0,5 grados Centígrados por minuto. Para la recopilación de datos, establezca la frecuencia de muestreo del generador de imágenes infrarrojas en 7,5 hercios, la frecuencia del termopar y el sensor de desplazamiento en 20 hercios, y la frecuencia CCD en 24 hercios. Cuando se hayan establecido todos los parámetros, haga clic en el botón del sistema de recopilación de datos y supervise la temperatura, el desplazamiento y otra información de interés en el software informático.
Al final del análisis, apague la alimentación. Estos modelos experimentales y métodos de medición se integraron en esta carga útil en el satélite SJ-10. Se han terminado 23 experimentos de microgravedad en la convección termocapilar de onda superficial.
En estas imágenes térmicas infrarrojas de las distribuciones de temperatura en una superficie libre de líquido en convección termocapilar, se pueden observar una variedad de patrones de flujo oscilatorio, incluidas las oscilaciones radiales y las rotaciones circunferenciales en el sentido de las agujas del reloj y en el sentido contrario a las agujas del reloj. En este experimento representativo, las temperaturas dentro del fluido aumentaron linealmente con el aumento de la diferencia de temperatura, con el campo de temperatura fluctuando periódicamente una vez que la diferencia de temperatura superó un cierto umbral, lo que indica que la convección termocapilar se desarrolló de un estado estacionario a un estado oscilatorio. Además, la amplitud de la temperatura oscilatoria creció a medida que el campo de flujo evolucionó, como se indica en este análisis de espectro, mostrando que la frecuencia de oscilación crítica era 0.064 hercios.
Aunque la convección de flotabilidad del sistema de tierra a pequeña escala se debilitó, el flujo seguía siendo un acoplamiento de convecciones termocapilares y de flotabilidad, con diferentes resultados observados en los resultados del experimento espacial, compararon los resultados obtenidos en experimentos de tierra. Al comparar un gran número de datos de deformación para la superficie libre de líquido medida por el sensor de desplazamiento y los datos de temperatura del fluido medidos por los termopares, también se observó que la deformación superficial y el campo de temperatura en el fluido comenzaron a oscilar al mismo tiempo y en la misma frecuencia. Estas dos tecnologías clave, el mantenimiento de una superficie fluida y la inyección de líquidos sin formación de burbujas, desempeñan un papel esencial en la investigación del espacio de experimentos.
Esperamos que el presente trabajo pueda proporcionar una base científica y apoyo técnico a los espectadores interesados en intentar estas técnicas.
