Comprendere gli effetti dell'oscillazione e della biforcazione nella convezione termocapillare è importante per lo studio di un forte flusso non lineare nello spazio. A causa delle limitate risorse e condizioni di spazio, il carico utile sperimentale dovrebbe essere di piccole dimensioni, leggero e possedere capacità anti-vibrazioni. Le innovazioni della tecnologia spaziale, come l'esecuzione della manutenzione della superficie liquida e l'iniezione di liquidi senza bolle, possono migliorare ulteriormente la capacità tecnica degli esperimenti di microgravità nella fisica dei fluidi.
Osservando la transizione di convezione, l'oscillazione della temperatura e la deformazione superficiale di un liquido è necessario l'uso di termocopia una termocamera a infrarossi e un sensore di spostamento. A dimostrare la procedura saranno Wang Jia, Wu Di e Hu Liang, tecnici del mio laboratorio. Inizia costruendo una piscina liquida anulare in rame con un raggio interno di quattro millimetri di diametro e un raggio esterno di 20 millimetri di diametro e un'altezza di 12 millimetri.
Utilizzare una piastra di polisolfone di 20 millimetri di diametro come fondo della piscina liquida e praticare un piccolo foro di due millimetri di diametro a sei millimetri di distanza dal centro della piastra come foro di iniezione del liquido. Aggiungere angoli affilati ad angolo di 45 gradi sulle pareti laterali interne ed esterne e applicare il liquido anti-strisciante sulle pareti interne ed esterne a un'altezza superiore a 12 millimetri. Quindi, selezionare un olio di silicone a bassa viscosità appropriato come fluido di lavoro e riscaldare il liquido a 60 gradi Celsius.
Per scaricare qualsiasi gas dall'olio, applicare meno di 150 pascal di pressione per sei ore, seguiti dall'aspirapolvere del sistema di stoccaggio del liquido fino a quando la pressione raggiunge poco meno di 200 pascal. Quindi, alleviare la valvola per consentire all'olio di silicone di riempire il cilindro aspirato senza gas. Per impostare il sistema di iniezione per il liquido di lavoro, selezionare un motore a gradini per guidare l'iniezione e l'aspirazione del liquido e applicare una valvola solenoide per controllare l'interruttore di accensione/spegnimento del sistema di iniezione.
Utilizzare un giunto universale per collegare il motore a gradini al cilindro liquido e utilizzare un tubo di diametro esterno di quattro millimetri per collegare successivamente il cilindro liquido, la valvola solenoide e il foro di iniezione. Per stabilire il sistema di misurazione, posizionare sei termopialle all'interno del pool di liquidi per misurare le temperature in diversi punti, come illustrato nella figura. Posizionare una termocamera 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.
Regolare il sensore di spostamento per misurare lo spostamento di uno specifico punto di interesse sulla superficie liquida e utilizzare la fotocamera CCD per concentrarsi sulla superficie liquida. Quindi, registrare il cambiamento della superficie libera. Per iniziare l'esperimento, avviare il software di controllo dell'esperimento e attivare il pulsante di accensione.
Per eseguire l'iniezione di liquido, applicare 12 volt sulla valvola solenoide per aprire la valvola. Quindi, accendere il pulsante del motore per avviare il motore con un passo di 2.059 millimetri per iniettare 10,305 millilitri di olio di silicone nella piscina liquida. Una volta che tutto l'olio è stato consegnato, spegnere la potenza della valvola solenoide per chiudere la valvola solenoide.
Per eseguire il riscaldamento lineare, impostare la temperatura target di riscaldamento su 50 gradi Celsius, la temperatura target di raffreddamento a 15 gradi Celsius e la velocità di riscaldamento a 0,5 gradi Celsius al minuto. Per la raccolta dei dati, impostare la frequenza di campionamento dell'imager a infrarossi su 7,5 hertz, la frequenza della termocopia e il sensore di spostamento su 20 hertz e la frequenza CCD su 24 hertz. Una volta impostati tutti i parametri, fare clic sul pulsante del sistema di raccolta dati e monitorare la temperatura, lo spostamento e altre informazioni di interesse nel software del computer.
Al termine dell'analisi, spegnere l'alimentazione. Questi modelli sperimentali e metodi di misurazione sono stati integrati in questo carico utile sul satellite SJ-10. Sono finiti 23 esperimenti di microgravità sulla convezione termocapillare ad onda superficiale.
In queste immagini termiche infrarosse delle distribuzioni di temperatura su una superficie priva di liquidi in convezione termocapillare, si può osservare una varietà di schemi di flusso oscillatorio, tra cui oscillazioni radiali e rotazioni circonferenziali in senso orario e antiorario. In questo esperimento rappresentativo, le temperature all'interno del fluido aumentarono linearmente con l'aumento della differenza di temperatura, con il campo di temperatura che fluttuava periodicamente una volta che la differenza di temperatura superava una certa soglia, indicando che la convezione termocapillare si sviluppò da uno stato stazionario a uno stato oscillatorio. Inoltre, l'ampiezza della temperatura oscillatoria crebbe man mano che il campo di flusso si evolveva, come indicato in questa analisi dello spettro, mostrando che la frequenza di oscillazione critica era di 0,064 hertz.
Sebbene la convezione di galleggiamento del sistema a terra su piccola scala fosse indebolita, il flusso era ancora un accoppiamento di convetzioni termocapillari e di galleggiamento, con risultati diversi osservati nei risultati degli esperimenti spaziali, confrontati con i risultati ottenuti negli esperimenti sul terreno. Confrontando un gran numero di dati di deformazione per la superficie priva di liquidi misurati dal sensore di spostamento e i dati di temperatura del fluido misurato dalle termocopia, è stato anche osservato che la deformazione superficiale e il campo di temperatura nel fluido hanno iniziato a oscillare contemporaneamente e con la stessa frequenza. Queste due tecnologie chiave, il mantenimento di una superficie fluida e l'iniezione di liquidi senza formazione di bolle, svolgono un ruolo essenziale nella ricerca spaziale sperimentale.
Speriamo che il presente lavoro possa fornire una base scientifica e un supporto tecnico ai telespettatori interessati a tentare queste tecniche.
