Comprendre les effets de l’oscillation et de la bifurcation dans la convection thermocapillaire est important pour l’étude d’un fort flux non ligneux dans l’espace. En raison des ressources et des conditions limitées d’espace, la charge utile expérimentale devrait être petite dans la taille, la lumière dans le poids, et posséder des capacités d’anti-vibration. Les percées technologiques spatiales, telles que l’entretien de la surface liquide et l’injection liquide sans bulles, peuvent encore améliorer la capacité technique des expériences de microgravité en physique des fluides.
L’observation de la transition de convection, de l’oscillation de température et de la déformation de surface d’un liquide nécessite l’utilisation de thermocouples d’une caméra thermique infrarouge et d’un capteur de déplacement. Wang Jia, Wu Di et Hu Liang, techniciens de mon laboratoire, feront la démonstration de la procédure. Commencez par construire une piscine liquide annulaire en cuivre avec un rayon intérieur de quatre millimètres de diamètre et un rayon extérieur de 20 millimètres de diamètre et une hauteur de 12 millimètres.
Utilisez une plaque polysulfone de 20 millimètres de diamètre comme fond de la piscine liquide et percez un petit trou de deux millimètres de diamètre à six millimètres du centre de la plaque comme trou d’injection liquide. Ajouter des coins pointus à angle de 45 degrés sur les parois latérales intérieures et extérieures et appliquer du liquide anti-rampant sur les murs intérieurs et extérieurs à une hauteur supérieure à 12 millimètres. Ensuite, choisissez une huile de silicone à faible viscosité appropriée comme fluide de travail et chauffez le liquide à 60 degrés Celsius.
Pour décharger tout gaz de l’huile, appliquer moins de 150 pascals de pression pendant six heures, suivi de l’aspiration du système de stockage liquide jusqu’à ce que la pression atteigne un peu moins de 200 pascals. Ensuite, soulagez la valve pour permettre à l’huile de silicone de remplir le cylindre aspiré sans gaz. Pour configurer le système d’injection pour le liquide de travail, sélectionnez un moteur d’étape pour conduire l’injection et l’aspiration du liquide, et appliquez une valve solénoïde pour contrôler l’interrupteur on/off du système d’injection.
Utilisez un joint universel pour connecter le moteur d’étape au cylindre liquide, et utilisez un tuyau de quatre millimètres de diamètre extérieur pour relier successivement le cylindre liquide, la valve solénoïde et le trou d’injection. Pour établir le système de mesure, placez six thermocouples à l’intérieur de la piscine liquide pour mesurer les températures à différents points, comme l’illustre la figure. Placez une caméra infrarouge directement au-dessus de la surface liquide, et faites pivoter la lentille pour ajuster la mise au point et pour recueillir les informations sur le champ de température sur la surface sans liquide.
Ajustez le capteur de déplacement pour mesurer le déplacement d’un point d’intérêt spécifique sur la surface liquide et utilisez la caméra CCD pour vous concentrer sur la surface liquide. Ensuite, enregistrez le changement de la surface libre. Pour commencer l’expérience, démarrez le logiciel de contrôle d’expérience et allumez le bouton d’alimentation.
Pour effectuer l’injection liquide, appliquer 12 volts sur la valve solénoïde pour ouvrir la valve. Ensuite, allumez le bouton moteur pour démarrer le moteur à une étape de 2.059 millimètres pour injecter 10, 305 millilitres d’huile de silicone dans la piscine liquide. Lorsque toute l’huile a été livrée, éteignez la puissance de la valve solénoïde pour fermer la valve solénoïde.
Pour effectuer un chauffage linéaire, fixez la température cible de chauffage à 50 degrés Celsius, la température cible de refroidissement à 15 degrés Celsius et le taux de chauffage à 0,5 degré Celsius par minute. Pour la collecte de données, réglez la fréquence d’échantillonnage de l’imageur infrarouge à 7,5 hertz, la fréquence thermocouple et le capteur de déplacement à 20 hertz, et la fréquence ccd à 24 hertz. Lorsque tous les paramètres ont été définis, cliquez sur le bouton système de collecte de données et surveillez la température, le déplacement et d’autres informations d’intérêt pour le logiciel.
À la fin de l’analyse, éteignez la puissance. Ces méthodes expérimentales de modèle et de mesure ont été intégrées dans cette charge utile sur le satellite SJ-10. 23 expériences de microgravité sur la convection thermocapillaire d’onde de surface sont terminées.
Dans ces images thermiques infrarouges des distributions de température sur une surface sans liquide dans la convection thermocapillaire, une variété de modèles de flux oscillatoires peuvent être observés, y compris les oscillations radiales et les rotations circonférentielles dans le sens des aiguilles d’une montre et dans le sens inverse des aiguilles d’une montre. Dans cette expérience représentative, les températures à l’intérieur du fluide ont augmenté linéairement avec l’augmentation de différence de température, avec le champ de température fluctuant périodiquement une fois que la différence de température a dépassé un certain seuil, indiquant que la convection thermocapillaire s’est développée d’un état stable à un état oscillatoire. En outre, l’amplitude de la température oscillatoire a augmenté au fur et à mesure que le champ d’écoulement évoluait, comme indiqué dans cette analyse du spectre, montrant que la fréquence d’oscillation critique était de 0,064 hertz.
Bien que la convection de flottabilité du système au sol à petite échelle ait été affaiblie, le flux était encore un couplage des convections thermocapillaires et de flottabilité, avec des résultats différents observés dans les résultats d’expérience spatiale, comparé des résultats obtenus dans des expériences au sol. En comparant un grand nombre de données de déformation pour la surface sans liquide mesurée par le capteur de déplacement et les données de température du fluide mesurées par les thermocouples, il a également été observé que la déformation de surface et le champ de température dans le fluide ont commencé à osciller en même temps et à la même fréquence. Ces deux technologies clés, le maintien d’une surface fluide et l’injection de liquides sans formation de bulles, jouent un rôle essentiel dans la recherche spatiale d’expérimentation.
Nous espérons que le présent travail pourra fournir une base scientifique et un soutien technique aux spectateurs intéressés à tenter ces techniques.
