Compreender os efeitos da oscilação e bifurcação na convecção termocapar é importante para o estudo de um forte fluxo não linear no espaço. Devido a recursos e condições de espaço limitados, a carga experimental deve ser pequena em tamanho, leve em peso e possuir habilidades anti-vibração. Avanços da tecnologia espacial, como a realização da manutenção da superfície líquida e a injeção líquida sem bolhas, podem aumentar ainda mais a capacidade técnica de experimentos de microgravidade na física de fluidos.
Observar a transição de convecção, a oscilação de temperatura e a deformação superficial de um líquido requer o uso de termopares uma câmera térmica infravermelha e um sensor de deslocamento. Demonstrando o procedimento estarão Wang Jia, Wu Di e Hu Liang, técnicos do meu laboratório. Comece construindo uma piscina líquida anular de cobre com um raio interno de quatro milímetros de diâmetro e um raio externo de 20 milímetros de diâmetro e uma altura de 12 milímetros.
Use uma placa de polisulfone de 20 milímetros de diâmetro como o fundo da piscina líquida, e faça um pequeno buraco de dois milímetros de diâmetro a seis milímetros do centro da placa como o orifício de injeção líquida. Adicione cantos afiados de ângulo de 45 graus nas paredes laterais internas e externas, e aplique líquido anti-rastejante nas paredes internas e externas a uma altura superior a 12 milímetros. Em seguida, selecione um óleo de silicone de baixa viscosidade apropriado como o fluido de trabalho, e aqueça o líquido a 60 graus Celsius.
Para descarregar qualquer gás do óleo, aplique menos de 150 pascals de pressão por seis horas, seguido pelo vácuo do sistema de armazenamento líquido até que a pressão atinja pouco menos de 200 pascals. Em seguida, alivie a válvula para permitir que o óleo de silicone preencha o cilindro aspirado sem gás. Para configurar o sistema de injeção para o líquido de funcionamento, selecione um motor de passo para conduzir a injeção e sucção do líquido e aplique uma válvula solenoide para controlar o interruptor de liga/desliga do sistema de injeção.
Use uma articulação universal para conectar o motor de passo ao cilindro líquido, e use um tubo de quatro milímetros de diâmetro externo para conectar sucessivamente o cilindro líquido, a válvula solenoide e o orifício de injeção. Para estabelecer o sistema de medição, coloque seis termopares dentro da piscina líquida para medir as temperaturas em diferentes pontos, conforme ilustrado na figura. Coloque uma câmera infravermelha diretamente acima da superfície líquida, e gire a lente para ajustar o foco e coletar as informações do campo de temperatura na superfície livre de líquidos.
Ajuste o sensor de deslocamento para medir o deslocamento de um ponto de interesse específico na superfície líquida e use a câmera CCD para se concentrar na superfície líquida. Então, regissou a mudança da superfície livre. Para começar o experimento, inicie o software de controle de experimentos e ligue o botão de alimentação.
Para realizar a injeção líquida, aplique 12 volts na válvula solenoide para abrir a válvula. Em seguida, ligue o botão do motor para ligar o motor a uma etapa de 2.059 milímetros para injetar 10.305 mililitros de óleo de silicone na piscina líquida. Quando todo o óleo tiver sido entregue, desligue a potência da válvula solenoide para fechar a válvula solenoide.
Para realizar o aquecimento linear, coloque a temperatura-alvo de aquecimento para 50 graus Celsius, a temperatura-alvo de resfriamento até 15 graus Celsius e a taxa de aquecimento para 0,5 graus Celsius por minuto. Para coleta de dados, defina a frequência amostral do imager infravermelho para 7,5 hertz, a frequência termopar e o sensor de deslocamento para 20 hertz, e a frequência CCD para 24 hertz. Quando todos os parâmetros tiverem sido definidos, clique no botão do sistema de coleta de dados e monitore a temperatura, o deslocamento e outras informações de interesse no software do computador.
No final da análise, desligue a energia. Estes métodos experimentais de modelo e medição foram integrados nesta carga no satélite SJ-10. 23 experimentos de microgravidade na convecção termocapilária de ondas superficiais estão concluídos.
Nestas imagens térmicas infravermelhas das distribuições de temperatura em uma superfície livre de líquido em convecção termocapiliana, uma variedade de padrões de fluxo oscilatório pode ser observada, incluindo oscilações radiais e rotações circunferenciais no sentido horário e anti-horário. Neste experimento representativo, as temperaturas dentro do fluido aumentaram linearmente com o aumento da diferença de temperatura, com o campo de temperatura flutuando periodicamente uma vez que a diferença de temperatura excedeu um certo limiar, indicando que a convecção termocapilátrica desenvolveu-se de um estado estável para um estado oscilatório. Além disso, a amplitude da temperatura oscilatória cresceu à medida que o campo de fluxo evoluiu, como indicado nesta análise de espectro, mostrando que a frequência de oscilação crítica foi de 0,064 hertz.
Embora a convecção de flutuação do sistema terrestre de pequena escala tenha sido enfraquecida, o fluxo ainda era um acoplamento de convecções termocapilais e de flutuação, com diferentes resultados observados nos resultados do experimento espacial, comparando os resultados obtidos em experimentos terrestres. Comparando um grande número de dados de deformação para a superfície livre de líquido medidos pelo sensor de deslocamento e os dados de temperatura do fluido medidos pelos termoacoplos, observou-se também que a deformação da superfície e o campo de temperatura no fluido começaram a oscilar ao mesmo tempo e na mesma frequência. Essas duas tecnologias-chave, a manutenção de uma superfície fluida e a injeção de líquidos sem formação de bolhas, desempenham papéis essenciais na pesquisa espacial de experimentos.
Esperamos que o presente trabalho possa fornecer uma base científica e suporte técnico para os espectadores interessados em tentar essas técnicas.
