熱キャピラリー対流における振動と分岐の影響を理解することは、宇宙における強い非線形流れの研究にとって重要である。限られたスペース資源と条件のために、実験ペイロードはサイズが小さく、軽量で、防振能力を有するべきである。液体表面のメンテナンスや気泡のない液体注入などの宇宙技術のブレークスルーは、流体物理学における微小重力実験の技術的能力をさらに高めることができます。
対流遷移、温度振動、および液体の表面変形を観察するには、赤外線サーマルカメラと変位センサーを熱電対で使用する必要があります。この手順のデモンストレーションは、私の研究室の技術者である王ジア、ウーディ、胡梁です。まず、直径4ミリメートルの内径と直径20ミリメートルの外径と高さ12ミリメートルの銅環状液体プールを構築します。
液体プールの底部として直径20ミリメートルのポリスルホンプレートを使用し、液体注入穴としてプレートの中心から6ミリメートル離れた小さな直径2ミリメートルの穴を掘削します。内側と外側の側壁に鋭い45度角のコーナーを追加し、12ミリメートルを超える高さに内壁と外壁に対してアンチクリープ液体を適用します。次に、働く液体として適切な低粘度シリコーンオイルを選択し、液体を摂氏60度に加熱します。
油からガスを排出するには、圧力が200パスカルのすぐ下になるまで液体貯蔵システムの掃除機をかけ、6時間の圧力の150パスカル未満を適用します。その後、バルブを緩和し、シリコーンオイルが気体を使わずに真空ボンベに充填できるようにします。作動液体の注入システムを設定するには、液体の注入および吸引を駆動するステップモーターを選択し、注入システムのオン/オフスイッチを制御するためにソレノイドバルブを適用する。
汎用ジョイントを使用してステップモータを液体シリンダーに接続し、4ミリメートルの外径パイプを使用して、液体シリンダー、ソレノイドバルブ、および注入穴を連続的に接続します。測定システムを確立するには、図に示すように、液体プール内に6個の熱電対を配置して、異なるポイントで温度を測定します。赤外線カメラを液体表面の真上に置き、レンズを回転させて焦点を合わせ、液体のない表面の温度場情報を収集します。
変位センサーを調整して、液体表面上の特定の対象点の変位を測定し、CCD カメラを使用して液体表面に焦点を合わせます。次に、自由面の変化を記録する。実験を開始するには、実験制御ソフトウェアを起動し、電源ボタンをオンにします。
液体注入を行うために、ソレノイド弁に12ボルトを塗布してバルブを開きます。次に、モーターボタンをオンにして2.059ミリメートルのステップでモーターを開始し、10,305ミリリットルのシリコーンオイルを液体プールに注入します。すべてのオイルが供給されたら、ソレノイドバルブを閉じるためのソレノイドバルブの電源を切ります。
リニア加熱を行う場合は、暖房目標温度を摂氏50度、冷却目標温度を摂氏15度、1分あたり0.5°Cに設定します。データ収集の場合、赤外線イメージャーのサンプリング周波数を 7.5 ヘルツ、熱電対周波数と変位センサーを 20 ヘルツ、CCD 周波数を 24 ヘルツに設定します。すべてのパラメータが設定されたら、データ収集システムボタンをクリックし、コンピュータソフトウェアの温度、変位、その他の情報を監視します。
解析の最後に、電源をオフにします。これらの実験モデルと測定方法は、このペイロードにSJ-10衛星上に集積された。表面波熱キャピラリー対流に関する23の微小重力実験が終了しました。
熱キャピラリー対流の液体のない表面上の温度分布のこれらの赤外線熱画像では、放射状振動や時計回りおよび反時計回りの回周回転を含む様々な振動流れパターンが観察される。本代表的な実験では、流体内部の温度は温度差が上昇すると直線的に上昇し、温度差が一定の閾値を超えると温度場は周期的に変動し、熱キャピラリー対流が定常状態から振動状態に発達したことを示す。さらに、このスペクトル解析で示されるように、流動場が進化するにつれて振動温度の振幅が大きくなり、臨界振動周波数が0.064ヘルツであることを示した。
小規模地盤システムの浮力対流は弱まったが、流れは依然として熱キャピラリーと浮力の結合であり、宇宙実験結果では異なる結果が観測され、地上実験で得られた結果と比較された。変位センサで測定した液のない表面の変形データと熱電対で測定した流体の温度データを多数比較することにより、流体中の表面変形と温度場が同時に同じ周波数で振動し始めたことも観察された。流体表面の維持と気泡形成のない液体の注入という2つの重要な技術は、実験空間研究において重要な役割を果たします。
この研究が、これらの技術を試みることに興味を持つ視聴者に科学的な基礎と技術サポートを提供できることを願っています。
