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  • Résumé
  • Résumé
  • Introduction
  • Protocole
  • Résultats
  • Discussion
  • Déclarations de divulgation
  • Remerciements
  • matériels
  • Références
  • Réimpressions et Autorisations

Résumé

Un protocole pour la conception de la charge utile spatiale, l’expérience spatiale sur la convection thermocapillaire, et des analyses de données expérimentales et d’images sont présentées dans cet article.

Résumé

La convection thermocapillaire est un sujet de recherche important dans la physique des fluides de microgravité. L’étude expérimentale sur les ondes de surface de convection thermocapillaire dans un pool liquide annulaire est l’un des 19 projets expérimentaux scientifiques sur le satellite récupérable SJ-10. Présenté est une conception pour une charge utile pour l’étude expérimentale spatiale sur la convection thermocapillaire qui comprend le modèle expérimental, le système de mesure, et le système de contrôle. Les spécificités pour la construction d’un modèle expérimental d’un pool liquide annulaire avec des rapports de volume variables sont fournies. Les températures des fluides sont enregistrées par six thermocouples avec une sensibilité élevée de 0,05 oC à différents points. Les distributions de température sur la surface liquide libre sont capturées au moyen d’une caméra thermique infrarouge. La déformation de surface libre est détectée par un capteur de déplacement avec une grande précision de 1 m. Le processus expérimental est entièrement automatisé. La recherche est axée sur les phénomènes d’oscillation thermocapillaire sur la surface sans liquide et les transitions de motifs convectifs grâce à des analyses de données expérimentales et d’images. Cette recherche sera utile pour comprendre le mécanisme de la convection thermocapillaire et offrira un aperçu plus approfondi des caractéristiques non linéaires, l’instabilité des flux, et les transitions de bifurcation de la convection thermocapillaire.

Introduction

Dans des conditions de microgravité dans l’espace, de nombreux phénomènes physiques intéressants sont présentés en raison de l’absence de gravité. Dans un liquide à surface libre, il existe un nouveau système d’écoulement (c.-à-d. flux thermocapillaire) qui est causé par le gradient de température ou le gradient de concentration. Différente de la convection traditionnelle au sol, la convection thermocapillaire est un phénomène omniprésent dans les environnements spatiaux. Comme il s’agit d’un sujet de recherche très important dans la physique des fluides de microgravité, un certain nombre d’expériences ont été menées dans l’espace ainsi que sur le terrain. Récemment, des études expérimentales spatiales ont été réalisées sur la convection thermocapillaire sur le satellite d’expérience scientifique récupérable SJ-10. La charge utile de l’expérience spatiale se composait de huit systèmes, à savoir un système d’expérimentation fluide, un système de stockage et d’injection liquide, un système de contrôle de la température, un système de mesure du thermocouple, une caméra thermique infrarouge, des capteurs de déplacement, un système d’acquisition d’images CCD et un système de contrôle électrique, comme le montre la figure 1 (à gauche). La charge utile de l’expérience spatiale pour la recherche sur les ondes de surface de convection thermocapillaire est montrée dans la figure 1 (à droite). Cette étude s’est concentrée sur l’instabilité du flux, les phénomènes d’oscillation et les transitions, qui sont des caractéristiques importantes dans le processus de transition du flux laminaire au chaos. Les études sur ces sujets fondamentaux ont une grande importance pour la recherche concernant un fort flux non linéaire.

Contrairement à la convection de flottabilité entraînée par la force du volume, la convection thermocapillaire est un phénomène causé par la tension de surface dans l’interface entre deux fluides immiscibles. L’ampleur de la tension de surface change avec certains paramètres scalaires, y compris la température, la concentration de soluté et la force du champ électrique. Lorsque ces champs échaudés se répartissent inégalement dans l’interface, il y aura un gradient de tension de surface présent sur la surface libre. Le fluide sur la surface libre est entraîné par le gradient de tension de surface pour se déplacer de l’emplacement avec une tension de surface moindre à celle avec une plus grande tension de surface. Ce flux a d’abord été interprété par un physicien italien, Carlo Marangoni. Par conséquent, il a été nommé "l’effet Marangoni"1. Le flux de Marangoni sur la surface libre s’étend au liquide intérieur par la viscosité et génère ainsi ce qu’on appelle la convection Marangoni.

Strictement parlant, pour le système fluide avec une surface libre, la convection thermocapillaire et la convection de flottabilité apparaissent toujours simultanément sous la gravité normale. En général, pour un système de convective macroscopique, la convection thermocapillaire est un effet mineur et est généralement ignorée par rapport à la convection de flottabilité. Cependant, à l’état d’un système de convective à petite échelle ou dans l’environnement de microgravité, la convection de flottabilité sera considérablement affaiblie, voire disparaîtra, et la convection thermocapillaire deviendra dominante dans le système d’écoulement. Pendant une longue période de temps, la recherche a été axée sur la convergence de flottabilité macro-échelle en raison des limitations dans les activités humaines et les méthodes de recherche2,3,4. Cependant, au cours des dernières décennies, avec le développement rapide de la science et de la technologie modernes telles que l’aérospatiale, le cinéma, le MEMS et la science non linéaire, la nécessité de poursuivre les recherches sur la convection thermocapillaire est devenue de plus en plus urgente.

Les études concernant l’hydrodynamique de microgravité ont une signification académique importante et des perspectives d’application. De nombreux dynamiques, chimistes physiques, biologistes et scientifiques des matériaux se sont réunis pour travailler dans ce domaine. Kamotani et Ostrach ont terminé des expériences sur la convection thermocapillaire dans un pool liquide annulaire dans des conditions de microgravité2,5,6,7,8 et observé le flux régulier, le flux oscillatoire, et les conditions critiques. Schwabe et coll. ont étudié la convection flottante-thermocapillaire dans une piscine liquide annulairesimilaire 3,9 et ont constaté que le débit oscillatoire est d’abord apparu comme des ondes thermocapillaires, puis s’est tourné vers un flux plus complexe avec l’augmentation de la différence de température. En 2002, Schwabe et Benz et coll. ont signalé un groupe d’expériences sur la convection thermocapillaire dans une piscine liquide annulaire réalisée sur le satellite russe FOTON-124,10. Leurs résultats expérimentaux spatiaux étaient compatibles avec les résultats expérimentaux du sol. Certains scientifiques japonais ont effectué trois séries d’expériences sur la convection thermocapillaire de pont liquide, nommée l’expérience Marangoni dans l’espace (MEIS), sur la Station spatiale internationale11,12,13. Certains équipements expérimentaux, y compris la caméra, l’imageur thermique, les capteurs thermocouples, et la technologie 3D-PTV et photochromique, ont été appliqués dans ces trois tâches. Les conditions critiques de la convection thermocapillaire à différents rapports d’aspect ont été déterminées, et des structures tridimensionnelles (3D) de débit ont été observées.

Au cours des 30 dernières années, la science de la microgravité a subi un développement prolifique en Chine14,15,16, et un certain nombre d’expériences de microgravité ont été menées dans l’espace17,18. Dans le domaine de la physique des fluides, la première expérience de microgravité a été l’étude du liquide à deux couches sur le satellite récupérable SJ-5 en 1999, et la structure de débit a été obtenue par la méthode de traçage des particules14. En 2004, l’étude sur la migration thermocapillaire d’une gouttelette a été réalisée sur le SZ-4, et la relation entre la vitesse de migration et le nombre critique de Mach (Ma) a été obtenue15,16. En 2005, l’étude expérimentale sur la migration thermocapillaire multi-bulles a été réalisée sur le JB-417, et les règles de migration ont été obtenues car le nombre de Ma a été porté à 8.000. Pendant ce temps, des problèmes tels que la fusion des bulles ont également été étudiés. En 2006, l’étude sur le transfert de masse de diffusion a été réalisée sur le satellite récupérable SJ-8, l’interféromètre Mach-Zehnder a été appliqué pour la première fois dans l’expérience spatiale, le processus de transfert de masse de diffusion a été observé, et le coefficient de diffusion a été évalué18.

Ces dernières années, une série d’études expérimentales au sol axées sur les processus d’oscillation et de bifurcation dans la convection thermocapillaire ont été réalisées, et l’effet couplé de la flottabilité et de la force thermocapillaire a été analysé. Les résultats expérimentaux montrent que l’effet de flottabilité ne peut pas être ignoré dans les expériences au sol, car il joue un rôle dominant dans de nombreux cas19,20,21,22. En 2016, deux expériences de microgravité ont été menées pour rechercher la convection thermocapillaire dans le pont liquide sur le TG-2, et la convection thermocapillaire dans la piscine liquide annulaire sur le satellite récupérable SJ-1023,24. Le présent article introduit la charge utile expérimentale de la convection thermocapillaire sur le SJ10, et les résultats de l’expérience spatiale. Ces méthodes seront utiles pour explorer le mécanisme de l’oscillation thermocapillaire.

Afin d’observer la transition du modèle convectif, l’oscillation de température, et la déformation de surface sans liquide, six thermocouples, une caméra thermique infrarouge, et un capteur de déplacement pour quantifier la fréquence, l’amplitude, et d’autres quantités physiques de l’oscillation ont été utilisés. Grâce à des études sur l’oscillation et la transition dans la convection thermocapillaire dans l’espace, le mécanisme de convection thermocapillaire dans l’environnement de microgravité, qui fournit des orientations scientifiques pour la croissance des matériaux dans l’espace, peut être découvert et compris. En outre, les percées technologiques dans de telles expériences spatiales, telles que les techniques de maintenance de surface liquide et d’injection liquide sans bulles, amélioreront encore la simplicité et le niveau technique des expériences de microgravité dans les fluides Physique.

Cet article présente l’expérience de développement de charge utile et d’espace du projet d’onde de surface thermocapillaire réalisé sur le satellite expérimental scientifique SJ-10. En tant que charge utile d’expérience spatiale, ce système de convection thermocapillaire a une forte capacité anti-vibration pour prévenir les chocs violents, en particulier pendant le processus de lancement par satellite. Afin de répondre aux exigences du fonctionnement à distance, le processus d’expérience spatiale est contrôlé automatiquement, et les données expérimentales spatiales peuvent être transmises à la station de réception des signaux au sol de l’engin spatial, puis à l’expérimental des scientifiques. Plate-forme.

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Protocole

1. Conception et préparation du système expérimental

  1. Construire la piscine liquide annulaire.
    1. Construire une piscine liquide annulaire en cuivre mesurant Ri -4 mm de diamètre intérieur et Ro 20 mm de diamètre extérieur et d 12 mm de hauteur.
    2. Utilisez une plaque de polysulfone mesurant RP et 20 mm de diamètre comme fond de la piscine liquide (voir Tableau des matériaux).
    3. Percer un petit trou mesurant 2 mm de diamètre près de la paroi interne (6 mm du centre du cercle) comme le trou d’injection liquide.
  2. Maintenez l’interface.
    1. Ajoutez des coins pointus (angles 45 degrés) sur les murs latéraux intérieurs et extérieurs(figure 2).
    2. Appliquer le liquide anti-creeping21 (voir tableau des matériaux) sur les murs intérieurs et extérieurs à une hauteur supérieure à 12 mm.
  3. Préparer le système de stockage du liquide de travail.
    1. Choisissez l’huile de silicone 2cSt comme liquide de travail (voir Tableau des matériaux).
    2. Utilisez un cylindre hydraulique comme récipient pour stocker l’huile de silicone (voir Tableau des matériaux).
    3. Injecter le fluide de travail sur le cylindre hydraulique à l’aide de la technique sans bulle avant le lancement.
      REMARQUE : Les bulles suspendues dans le fluide de travail entraîneront l’échec de l’expérience.
      1. Déchargez le gaz dans l’huile de silicone en chauffant le liquide à 60 oC et en appliquant une pression de 150 p. 100 pendant environ 6 h.
      2. Passez l’aspirateur du système de stockage liquide jusqu’à ce que sa pression soit de 200 p. 100.
      3. Soulager la soupape pour permettre à l’huile de silicone de remplir la bouteille aspirée sans gaz (figure 3).
  4. Configurez le système d’injection du liquide de travail.
    1. Sélectionnez un moteur d’étape pour conduire l’injection ou l’aspiration du liquide (voir Tableau des matériaux).
    2. Appliquer une valve solénoïde pour contrôler l’interrupteur d’utilisation du système d’injection (voir Tableau des matériaux).
    3. Connectez le moteur d’étape au cylindre liquide à l’aide d’un joint universel(figure 4).
    4. Connectez successivement le cylindre liquide, la valve solénoïde et le trou d’injection avec un tuyau mesurant 4 mm de diamètre extérieur.

2. Établissement du système de contrôle de la température

  1. Intégrer le cylindre intérieur avec un film de chauffage (résistance Rt 14,4 à 0,5 euros) et mesurer la température Ti avec un thermocouple de type K (voir Tableau des matériaux).
  2. Attachez symétriquement six puces de réfrigération (toutes les deux puces sont reliées en parallèle en tant que groupe, et trois groupes sont reliés en série) au mur extérieur et obtiennent la température extérieure de la paroi To à l’aide d’un thermocouple supplémentaire de type K.
    REMARQUE: La différence de température est deT ' Ti - To.

3. Mise en place du système de mesure

REMARQUE : Tous les appareils peuvent être contrôlés par un logiciel.

  1. Placez six thermocouples (T1 - T6) à l’intérieur de la piscine liquide pour mesurer les températures à différents points. La disposition détaillée est indiquée dans la figure 5.
  2. Placez la caméra infrarouge directement au-dessus de la surface liquide, et faites pivoter la lentille pour ajuster la mise au point et recueillir les informations sur le champ de température sur la surface sans liquide (voir Tableau des matériaux).
  3. Ajuster le capteur de déplacement pour mesurer le déplacement d’un certain point(r à 12 mm) sur la surface liquide (voir tableau des matériaux).
    REMARQUE : Le capteur de déplacement laser est utilisé pour cette charge utile afin de réaliser un échantillonnage à grande vitesse de 100 degrés, qui est une méthode de mesure de précision ultra-haute avec une résolution de 1 m, et une linéarité de 0,1 % F.S.
  4. Utilisez la caméra CCD pour vous concentrer sur la surface liquide et enregistrer le changement de surface libre (voir Tableau des matériaux, figure 6).
    REMARQUE : Le nombre de pixels efficaces est de 752 x 582, et l’éclairage minimum est de 1,6 Lux/F2.0.

4. Processus expérimental

  1. Démarrez le logiciel de contrôle d’expérience et allumez le bouton d’alimentation.
  2. Effectuez l’injection liquide.
    1. Appliquer 12 V sur la valve solénoïde pour l’ouvrir.
    2. Allumez le bouton moteur pour appuyer sur le moteur d’une étape de 2,059 mm et injecter 10 305 ml d’huile de silicone dans la piscine liquide.
    3. Éteignez la puissance de la valve solénoïde pour fermer la valve solénoïde.
  3. Effectuez le chauffage linéaire.
    1. Définissez les conditions expérimentales comme suit : température cible de chauffage Ti à 50 oC ; température cible de refroidissement To '15 'C; et le taux de chauffage de 0,5 oC/min.
  4. Recueillir des données.
    1. Définissez les fréquences d’échantillonnage correspondantes de l’imageur infrarouge, des thermocouples, du capteur de déplacement et du CCD à 7,5 Hz, 20 Hz, 20 Hz et 25 Hz respectivement.
    2. Cliquez sur le bouton pour le système de collecte de données et surveillez la température, le déplacement et d’autres informations à l’aide du logiciel informatique(figure 7).
  5. Éteignez le bouton d’alimentation.
    REMARQUE : Attendez 1 h pour que les températures des extrémités chaudes et froides soient égales à la température ambiante pour l’expérience suivante.

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Résultats

Le rapport de volume précis a été défini, et la topographie de surface liquide a été reconstruite à partir des images capturées par le CCD. L’état critique d’instabilité a été déterminé, et les caractéristiques d’oscillation ont été étudiées par des analyses sur des signaux de température de point unique et des signaux oscillants de déplacement. La structure du champ d’écoulement a été obtenue, et la transition du modèle d’écoulement a été déterminé...

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Discussion

En raison de la limitation des ressources spatiales, le volume de l’équipement dans son ensemble est seulement 400 mm - 352 mm - 322 mm, avec un poids de seulement 22,9 à 0,2 kg. C’est très gênant lors de la sélection et de la pose de dispositifs expérimentaux, et l’établissement du système de débit devient l’étape critique. Par conséquent, la différence de température croissante est réglée à deux extrémités de la piscine liquide afin que le fluide puisse générer une série de phénomènes d?...

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Déclarations de divulgation

Nous n’avons rien à divulguer.

Remerciements

Il y a beaucoup de participants qui ont contribué au travail rapporté dans ce document, y compris tous les membres de notre équipe de projet, ainsi que quelques personnes du Centre de recherche et de formation des astronautes (ACC) et Neusoft.

Ces travaux sont financés par le Strategic Priority Research Program on Space Science, Chinese Academy of Sciences: SJ-10 Recoverable Scientific Experiment Satellite (Grant No. XDA04020405 et XDA0402020202-05), et par le fonds conjoint de la National Natural Science Foundation of China (U1738116).

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matériels

NameCompanyCatalog NumberComments
anti-creeping liquid3MEGC-1700
CCDWATTECWAT-230VIVID
Displacement sensorPanasonicHL-C1
Heating filmHongYu125 Q/W335.1A
Hydraulic cylinderFESTOADVU-40-25-P-A
Infrared cameraFLIRTau2
LED693 Institute10257MW7C
MontorPIM-227
Montor controllerPIC-863
Pipe, 4mmFESTOPUN-4X0,75-GE
polysulfone plate507 Institute
Refrigeration chipZhongke9502/065/021M
Silicon oil, 2cStShin-EtsuKF-96
SolenoidFESTOMFH-2-M5
Temperature controllerEurotherm3304
Thermocouple, K-typeNorth University of ChinaZBDX-HTTK

Références

  1. Scriven, L. E., Sternling, C. V. The Marangoni effect. Nature. 187, 186-188 (1960).
  2. Kamotani, Y., Chang, A., Ostrach, S. Effects of heating mode on steady antisymmetric thermocapillary flows in microgravity. Heat Transfer in Microgravity Systems, Trans. American Society of Mechanical Engineers. 290, https://heattransfer.asmedigitalcollection.asme.org/ 53-59 (1994).
  3. Benz, S., Schwabe, D. The three-dimensional stationary instability in dynamic thermocapillary shallow cavities. Experiments in Fluids. 31, 409-416 (2001).
  4. Schwabe, D. Buoyant-thermocapillary and pure thermocapillary convective instabilities in Czochralski systems. Journal of Crystal Growth. 237-239, 1849-1853 (2002).
  5. 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).
  6. Kamotani, Y., Ostrach, S., Pline, A. A thermocapillary convection experiment in microgravity. Journal of Heat Transfer. 117, 611-618 (1995).
  7. 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).
  8. 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).
  9. 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).
  10. 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).
  11. Kawamura, H., et al. Report on Microgravity Experiments of Marangoni Convection Aboard International Space Station. Journal of Heat Transfer. 134 (3), 031005(2012).
  12. 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).
  13. 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).
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