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In questo articolo

  • Riepilogo
  • Abstract
  • Introduzione
  • Protocollo
  • Risultati
  • Discussione
  • Divulgazioni
  • Riconoscimenti
  • Materiali
  • Riferimenti
  • Ristampe e Autorizzazioni

Riepilogo

In questo documento sono presentati un protocollo per la progettazione del carico utile spaziale, l'esperimento spaziale sulla convezione termocapillare e le analisi di dati e immagini sperimentali.

Abstract

La convezione termocapillare è un importante soggetto di ricerca nella fisica dei fluidi di microgravità. Lo studio sperimentale sulle onde superficiali della convezione termocapillare in una piscina liquida anulare è uno dei 19 progetti sperimentali scientifici sul satellite recuperabile SJ-10. È stato presentato un progetto per un carico utile per uno studio sperimentale sullo spazio sulla convezione termocapillare che include il modello sperimentale, il sistema di misurazione e il sistema di controllo. Vengono fornite le specifiche per la costruzione di un modello sperimentale di una piscina liquida anulare con rapporti di volume variabili. Le temperature fluide sono registrate da sei termocoppie con un'alta sensibilità di 0,05 gradi centigradi in diversi punti. Le distribuzioni di temperatura sulla superficie libera del liquido vengono catturate mediante una termocamera a infrarossi. La deformazione della superficie libera viene rilevata da un sensore di spostamento con un'elevata precisione di 1 m. Il processo sperimentale è completamente automatizzato. La ricerca si concentra sui fenomeni di oscillazione termocapillare sulle transizioni di modelli di superficie e convettive senza liquido attraverso analisi di dati e immagini sperimentali. Questa ricerca sarà utile per comprendere il meccanismo di convezione termocapillare e offrirà ulteriori approfondimenti sulle caratteristiche non lineari, l'instabilità del flusso e le transizioni di biforcazione del convezione termocanopillare.

Introduzione

In condizioni di microgravità nello spazio, molti fenomeni fisici interessanti sono presentati a causa dell'assenza di gravità. In un liquido con una superficie libera, esiste un nuovo sistema di flusso (cioè il flusso termocapillare) che è causato dal gradiente di temperatura o dal gradiente di concentrazione. A differenza della convezione tradizionale sul terreno, la convezione termocapillare è un fenomeno onnipresente negli ambienti spaziali. Poiché si tratta di un argomento di ricerca molto importante nella fisica dei fluidi di microgravità, sono stati condotti una serie di esperimenti nello spazio e a terra. Recentemente, sono stati effettuati studi sperimentali spaziali sulla convezione termocapillare sul satellite esperimento scientifico recuperabile SJ-10. Il carico utile dell'esperimento spaziale consisteva in otto sistemi, vale a dire un sistema di esperimenti sui fluidi, un sistema di archiviazione e iniezione di liquidi, un sistema di controllo della temperatura, un sistema di misurazione della termocoppia, una termocamera a infrarossi, sensori di spostamento, un sistema di acquisizione di immagini CCD e un sistema di controllo elettrico, come illustrato nella Figura 1 (a sinistra). Il payload dell'esperimento spaziale per la ricerca sulle onde superficiali della convezione termocapillare è illustrato nella Figura 1 (a destra). Questo studio si è concentrato sull'instabilità del flusso, dei fenomeni di oscillazione e delle transizioni, che sono caratteristiche importanti nel processo di transizione dal flusso laminare al caos. Gli studi su questi argomenti fondamentali hanno un grande significato per la ricerca relativa al forte flusso non lineare.

A differenza della convezione di galleggiamento guidata dalla forza del volume, la convezione termocapillare è un fenomeno causato dalla tensione superficiale all'interno dell'interfaccia tra due fluidi immiscibili. La grandezza della tensione superficiale cambia con alcuni parametri scalari, tra cui la temperatura, la concentrazione soluta e la forza del campo elettrico. Quando questi campi scalari si distribuiscono in modo non uniforme nell'interfaccia, sulla superficie libera sarà presente un gradiente di tensione superficiale. Il fluido sulla superficie libera è guidato dal gradiente di tensione superficiale per passare dalla posizione con minore tensione superficiale a quella con maggiore tensione superficiale. Questo flusso è stato interpretato per la prima volta da un fisico italiano, Carlo Marangoni. Quindi, è stato chiamato il "effetto Marangoni"1. Il flusso di Marangoni sulla superficie libera si estende al liquido interno per viscosità e di conseguenza genera ciò che è noto come convezione Marangoni.

A rigor di continuità, per il sistema fluido con una superficie libera, la convezione termocapillare e la convezione di galleggiamento appaiono sempre contemporaneamente sotto la gravità normale. In generale, per un sistema convettivo macroscopico, la convezione termocapillare è un effetto minore e di solito viene ignorata rispetto alla convezione di galleggiamento. Tuttavia, sotto la condizione di un sistema convettivo su piccola scala o nell'ambiente di microgravità, la convezione di galleggiamento sarà notevolmente indebolita, o addirittura scomparirà, e la convezione termocano diventerà dominante nel sistema di flusso. Per un lungo periodo di tempo, la ricerca si è concentrata sulla convezione di galleggiamento su macroscala a causa dei limiti nelle attività umane e nei metodi di ricerca2,3,4. Tuttavia, negli ultimi decenni, con il rapido sviluppo della scienza e della tecnologia moderne come l'aerospaziale, il cinema, il MEMS e la scienza non lineare, la necessità di ulteriori ricerche sulla convezione termocania è diventata sempre più urgente.

Gli studi sull'idrodinamica a microgravità hanno un importante significato accademico e prospettive di applicazione. Molti dinamici, chimici fisici, biologi e materiali che gli scienziati si sono riuniti per lavorare in questo campo. Kamotani e Ostrach hanno completato esperimenti sulla convezione termocapillare in una pozza liquida anulare in condizioni di microgravità2,5,6,7,e osservato flusso costante, flusso oscillatorio, e condizioni critiche. Schwabe et al. ha studiato la convezione galleggiante-termocapillare in una piscina liquida anulare simile3,9 e ha scoperto che il flusso oscillatorio è apparso prima come onde termomontane, e poi si è rivolto a un flusso più complesso con l'aumento della differenza di temperatura. Nel 2002, Schwabe e Benz et al. hanno segnalato un gruppo di esperimenti sulla convezione termocapillare in una piscina liquida anulare effettuata sul satellite russo FOTON-124,10. I risultati sperimentali spaziali sono stati coerenti con i risultati sperimentali a terra. Alcuni scienziati giapponesi hanno effettuato tre serie di esperimenti sul convezione termocapillare a ponte liquido, chiamata Marangoni Experiment in Space (MEIS), sulla Stazione Spaziale Internazionale11,12,13. Alcune apparecchiature sperimentali, tra cui la fotocamera, l'imager termico, i sensori termocoppia e la tecnologia 3D-PTV e fotocromatica, sono state applicate in questi tre compiti. Sono state determinate le condizioni critiche della convezione termocapillare a diversi rapporti di aspetto e sono state osservate strutture di flusso tridimensionali (3D).

Negli ultimi 30 anni, la scienza della microgravità ha subito uno sviluppo prolifico in Cina14,15,16, e una serie di esperimenti di microgravità sono stati condotti nello spazio17,18. Nel campo della fisica dei fluidi, il primo esperimento di microgravità è stato lo studio del fluido a due strati sul satellite recuperabile SJ-5 nel 1999, e la struttura del flusso è stata ottenuta dal metodo di tracciamento delle particelle14. Nel 2004, lo studio sulla migrazione termocapillare di una goccia è stato effettuato sulla S z-4, e il rapporto tra la velocità della migrazione e il numero critico Dich (Ma) è stato ottenuto15,16. Nel 2005, lo studio sperimentale sulla migrazione termocapillare multi-bolla è stato effettuato sul JB-417, e le regole di migrazione sono state ottenute come il numero di Ma è stato aumentato a 8.000. Nel frattempo, sono stati studiati anche problemi come la fusione delle bolle. Nel 2006, lo studio sul trasferimento di massa di diffusione è stato effettuato sul satellite recuperabile SJ-8, l'interferometro Mach-Ehnder è stato applicato per la prima volta nell'esperimento spaziale, è stato osservato il processo di trasferimento di massa di diffusione e il coefficiente di diffusione è stato valutato18.

Negli ultimi anni, sono stati effettuati una serie di studi sperimentali a terra incentrati sui processi di oscillazione e biforcazione nella convezione termocapillare, ed è stato analizzato l'effetto accoppiato della galleggiabilità e della forza termocana. I risultati sperimentali mostrano che l'effetto di galleggiamento non può essere ignorato negli esperimenti a terra, in quanto svolge un ruolo dominante in molti casi19,20,21,22.22 Nel 2016, sono stati condotti due esperimenti di microgravità per la ricerca di convezione termocapillare nel ponte liquido sul TG-2 e convezione termocapillare nella piscina liquida anulare sul satellite recuperabile SJ-1023,24. Il presente documento introduce il carico utile sperimentale della convezione termocapillare sulla SJ10 e i risultati dell'esperimento spaziale. Questi metodi saranno utili per esplorare il meccanismo di oscillazione termocapillare.

Per osservare la transizione del modello convettivo, l'oscillazione della temperatura e la deformazione della superficie priva di liquidi, sei termocoppie, una termocamera a infrarossi e un sensore di spostamento per quantificare la frequenza, l'ampiezza e altre quantità fisiche dell'oscillazione sono stati utilizzati. Attraverso indagini sull'oscillazione e la transizione nella convezione termocapillare nello spazio, il meccanismo di convezione termocapillare nell'ambiente microgravità, che fornisce indicazioni scientifiche per la crescita dei materiali nello spazio, può essere scoperto e compreso. Inoltre, le innovazioni tecnologiche in tali esperimenti spaziali, come le tecniche di manutenzione della superficie liquida e l'iniezione liquida senza bolle, miglioreranno ulteriormente la semplicità e il livello tecnico degli esperimenti di microgravità nei fluidi Fisica.

Questo documento introduce lo sviluppo del carico utile e l'esperimento spaziale del progetto termocapillare sulle onde superficiali effettuato sul satellite sperimentale scientifico SJ-10. Come carico utile per esperimenti spaziali, questo sistema di convezione termocapillare ha una forte capacità anti-vibrazione per prevenire urti violenti, soprattutto durante il processo di lancio del satellite. Al fine di soddisfare i requisiti del funzionamento a distanza, il processo di esperimento spaziale viene controllato automaticamente e i dati sperimentali spaziali possono essere trasmessi alla stazione di ricezione del segnale di terra della navicella spaziale e quindi agli scienziati sperimentali Piattaforma.

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Protocollo

1. Progettazione e preparazione del sistema sperimentale

  1. Costruire la piscina liquida anulare.
    1. Costruire una piscina liquida anulare di rame misurando Ri - 4 mm di diametro interno e Ro 20 mm in diametro esterno e d 12 mm di altezza.
    2. Utilizzare una piastra polisulfone che misura RP e 20 mm di diametro come fondo della piscina liquida (vedere Tabella dei materiali).
    3. Forare un piccolo foro di misura, ovvero 2 mm di diametro vicino alla parete interna (6 mm di distanza dal centro del cerchio) come foro di iniezione liquido.
  2. Mantenere l'interfaccia.
    1. Aggiungere angoli acuti (angoli di 45 gradi) sulle pareti laterali interne ed esterne (Figura 2).
    2. Applicare il liquido anti-creeping21 (vedere Tabella dei materiali) alle pareti interne ed esterne ad un'altezza superiore a 12 mm.
  3. Preparare il sistema di stoccaggio del liquido funzionante.
    1. Scegliere l'olio di silicone 2cSt come liquido funzionante (vedere Tabella dei materiali).
    2. Utilizzare un cilindro idraulico come contenitore per la conservazione dell'olio di silicone (vedere Tabella dei materiali).
    3. Iniettare il fluido di lavoro nel cilindro idraulico utilizzando la tecnica senza bolle prima del lancio.
      NOTA: Bolle sospese nel fluido funzionante si tradurrà in un fallimento dell'esperimento.
      1. Scarico del gas nell'olio di silicone riscaldando il liquido a 60 gradi centigradi e applicando pressione <150 Pa per circa 6 h.
      2. Aspirare il sistema di stoccaggio dei liquidi fino a quando la sua pressione è <200 Pa.
      3. Alleviare la valvola per consentire all'olio di silicone di riempire il cilindro aspirato senza gas (Figura 3).
  4. Impostare il sistema di iniezione per il liquido di lavoro.
    1. Selezionare un motore a gradini per azionare l'iniezione o l'aspirazione del liquido (vedere Tabella dei materiali).
    2. Applicare una valvola solenoida per controllare l'interruttore di accensione del sistema di iniezione (vedere Tabella dei materiali).
    3. Collegare il motore a gradino al cilindro liquido utilizzando un giunto universale (Figura 4).
    4. Collegare il cilindro liquido, la valvola solenoide e il foro di iniezione in successione con un tubo di 4 mm di diametro esterno.

2. Istituzione del sistema di controllo della temperatura

  1. Incorporare il cilindro interno con una pellicola di riscaldamento (resistenza Rt - 14,4 x 0,5 ) e misurare la temperatura Ti con una termocoppia di tipo K (vedere Tabella dei materiali).
  2. Attacca simmetricamente sei chip di refrigerazione (ogni due chip sono collegati in parallelo come un gruppo, e tre gruppi sono collegati in una serie) alla parete esterna e ottengono la temperatura della parete esterna To utilizzando un'ulteriore termocoppia di tipo K.
    NOTA: La differenza di temperatura èT - Ti - To.

3. Istituzione del sistema di misura

NOTA: tutti i dispositivi possono essere controllati da software.

  1. Posizionare sei termocoppie (T1 - T6) all'interno della piscina liquida per misurare le temperature in punti diversi. Il layout dettagliato è illustrato nella Figura 5.
  2. Posizionare la telecamera a infrarossi direttamente sopra la superficie liquida e ruotare l'obiettivo per regolare la messa a fuoco e raccogliere le informazioni sul campo di temperatura sulla superficie priva di liquidi (vedere Tabella dei materiali).
  3. Regolare il sensore di spostamento per misurare lo spostamento di un certo punto (r - 12 mm) sulla superficie del liquido (vedere Tabella dei materiali).
    NOTA: Il sensore di spostamento laser viene utilizzato per questo carico utile al fine di realizzare un campionamento ad alta velocità di 100 s, che è un metodo di misurazione ad altissima precisione con una risoluzione di 1 m e una linearità di 0,1% F.S.
  4. Utilizzare la telecamera CCD per mettere a fuoco la superficie liquida e registrare il cambiamento della superficie libera (vedere Tabella dei materiali, Figura 6).
    NOTA: il numero di pixel effettivi è 752 x 582 e l'illuminazione minima è 1,6 Lux/F2.0.

4. Processo sperimentale

  1. Avviare il software di controllo dell'esperimento e attivare il pulsante di accensione.
  2. Eseguire l'iniezione di liquido.
    1. Applicare 12 V sulla valvola solenoide per aprirla.
    2. Accendere il pulsante del motore per spingere il motoreun passo di 2.059 mm e iniettare 10.305 mL di olio di silicone nella piscina liquida.
    3. Spegnere la potenza della valvola solenoide per chiudere la valvola solenoide.
  3. Eseguire il riscaldamento lineare.
    1. Impostare le condizioni sperimentali come segue: temperatura di destinazione di riscaldamento Ti - 50 gradi centigradi; temperatura di raffreddamento diraffreddamento To e la velocità di riscaldamento: 0,5 gradi centigradi/min.
  4. Raccogliere dati.
    1. Impostare le frequenze di campionamento corrispondenti dell'immagine a infrarossi, delle termocoppie, del sensore di spostamento e del CCD rispettivamente su 7,5 Hz, 20, 20 Hz e 25 Hz.
    2. Fare clic sul pulsante relativo al sistema di raccolta dati e monitorare la temperatura, lo spostamento e altre informazioni utilizzando il software del computer (Figura 7).
  5. Spegnere il pulsante di accensione.
    NOTA: Attendere 1 h in modo che le temperature delle estremità calde e fredde siano uguali alla temperatura ambiente per il seguente esperimento.

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Risultati

È stato definito il rapporto di volume accurato e la topografia della superficie liquida è stata ricostruita in base alle immagini catturate dal CCD. È stata determinata la condizione critica di instabilità e le caratteristiche di oscillazione sono state studiate attraverso analisi su segnali di temperatura a punto singolo e segnali oscillanti di spostamento. La struttura del campo di flusso è stata ottenuta e la transizione del modello di flusso è stata determinata attraverso il ca...

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Discussione

A causa della limitazione delle risorse spaziali, il volume dell'apparecchiatura nel suo complesso è di soli 400 mm , 352 mm e 322 mm, con un peso di soli 22,9 x 0,2 kg. Questo è molto scomodo quando si selezionano e dispongono dispositivi sperimentali, e la creazione del sistema di flusso diventa il passo critico. Pertanto, l'aumento della differenza di temperatura è impostato a due estremità della piscina liquida in modo che il fluido possa generare una serie di fenomeni di flusso. Per osservare l'intero processo d...

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Divulgazioni

Non abbiamo niente da rivelare.

Riconoscimenti

Ci sono molti partecipanti che hanno contribuito al lavoro riportato in questo documento, compresi tutti i membri del nostro team di progetto, così come alcune persone del centro di ricerca e formazione degli astronauti (ACC) e Neusoft.

Questo lavoro è finanziato dallo Strategic Priority Research Program on Space Science, Chinese Academy of Sciences: SJ-10 Recoverable Scientific Experiment Satellite (Grant No. XDA04020405 e XDA04020202-05), e dal fondo congiunto della National Natural Science Foundation of China (U1738116).

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Materiali

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

Riferimenti

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