Понимание влияния колебаний и бифуркации в термокапильярии имеет важное значение для изучения сильного нелинейного потока в пространстве. Из-за ограниченных космических ресурсов и условий экспериментальная полезная нагрузка должна быть небольшой по размеру, легкой по весу и обладать антивибрятыми способностями. Прорывы в космической технологии, такие как техническое обслуживание жидкой поверхности и впрыск жидкости без пузырьков, могут еще больше повысить техническую способность экспериментов по микрогравитации в физике жидкости.
Наблюдение за переходом конвекции, колебания температуры и деформацией поверхности жидкости требует использования термокоупля инфракрасной тепловой камеры и датчика смещения. Демонстрация процедуры будет Ван Цзя, Ву Ди, и Ху Лян, техников из моей лаборатории. Начните со строительства медного кольцевого жидкого бассейна с внутренним радиусом четыре миллиметра в диаметре и внешним радиусом 20 миллиметров в диаметре и высотой 12 миллиметров.
Используйте полисульфоновую пластину диаметром 20 миллиметров в качестве дна жидкого бассейна и просверлите небольшое отверстие диаметром в два миллиметра в шести миллиметрах от центра пластины в качестве жидкого отверстия для впрыска. Добавьте острые, 45-градусные углы на внутренних и наружных боковых стенах и нанесите антиползающая жидкость на внутренние и внешние стены на высоту более 12 миллиметров. Далее выберите соответствующее силиконовое масло низкой вязкости в качестве рабочей жидкости и нагрейте жидкость до 60 градусов по Цельсию.
Чтобы выгрузить газ из масла, нанесите менее 150 паскаль давления в течение шести часов, а затем пылесосить систему хранения жидкости, пока давление не достигнет чуть ниже 200 паскалей. Затем, облегчить клапан, чтобы силиконовое масло, чтобы заполнить вакуумный цилиндр без газа. Чтобы настроить систему впрыска для работающей жидкости, выберите шаг двигателя для привода инъекций и всасывания жидкости, и применить соленоидный клапан для управления выключателем системы впрыска.
Используйте универсальный сустав для подключения шаг двигателя к жидкому цилиндру, и использовать четыре миллиметра внешнего диаметра трубы последовательно подключить жидкий цилиндр, соленоидный клапан, и инъекционной дыры. Для создания системы измерений поместите шесть термокупель внутри жидкого бассейна для измерения температуры в разных точках, как показано на рисунке. Поместите инфракрасную камеру непосредственно над жидкой поверхностью и поверните объектив, чтобы настроить фокус и собрать информацию о температурном поле на безликой поверхности.
Отрегулируйте датчик смещения для измерения смещения определенной точки интереса на жидкой поверхности и используйте камеру CCD, чтобы сосредоточиться на жидкой поверхности. Затем завехать изменение свободной поверхности. Чтобы начать эксперимент, запустите программное обеспечение для управления экспериментом и включите кнопку питания.
Для выполнения инъекций жидкости нанесите 12 вольт на соленоидный клапан, чтобы открыть клапан. Затем включите кнопку двигателя, чтобы включить двигатель на шаг 2,059 миллиметра, чтобы ввести 10, 305 миллилитров силиконового масла в жидкий бассейн. Когда все масло было доставлено, выключите соленоидный клапан власти, чтобы закрыть соленоидный клапан.
Для выполнения линейного нагрева установите целевую температуру нагрева до 50 градусов по Цельсию, целевую температуру охлаждения до 15 градусов по Цельсию и скорость нагрева до 0,5 градуса по Цельсию в минуту. Для сбора данных установите частоту выборки инфракрасного изображения до 7,5 герц, частоту термоотеса и датчик смещения до 20 герц, а частоту CCD до 24 герц. Когда все параметры будут установлены, нажмите кнопку системы сбора данных и следите за температурой, перемещением и другой информацией, представляющими интерес для компьютерного программного обеспечения.
В конце анализа выключите питание. Эти экспериментальные модели и методы измерения были интегрированы в эту полезную нагрузку на спутнике SJ-10. Завершено 23 эксперимента по микрогравитации на поверхностной волновой термокапильярии конвекции.
На этих инфракрасных тепловых снимках распределения температуры на поверхности, свободной от жидкости, в конвекции термокапильярий можно наблюдать различные модели осциллятивных потоков, включая радиальные колебания и по часовой стрелке и против часовой стрелки окружное вращение. В этом репрезентативном эксперименте температура внутри жидкости увеличивалась линейно с увеличением разницы температур, при этом температурное поле периодически колебалось, как только разница температур превышала определенный порог, что указывает на то, что конвекция термокапильярии развивалась от стабильного состояния к колеблющееся состояние. Кроме того, амплитуда осцилляции температуры росла по мере развития поля потока, как указано в этом анализе спектра, показывая, что критическая частота колебаний составила 0,064 герц.
Хотя плавучесть конвекции мелкомасштабной наземной системы была ослаблена, поток по-прежнему был соединением конвекций термокапильярии и плавучести, при этом различные результаты, наблюдаемые в результатах космических экспериментов, сравнивали результаты, полученные в наземных экспериментах. Сравнивая большое количество данных деформации для свободной от жидкости поверхности, измеренной датчиком смещения, и температурных данных жидкости, измеряемой термокоуплями, было также отмечено, что деформация поверхности и температурное поле в жидкости начали колебаться одновременно и на той же частоте. Эти две ключевые технологии, поддержание поверхности жидкости и инъекция жидкостей без образования пузырьков, играют важную роль в экспериментальных космических исследованиях.
Мы надеемся, что нынешняя работа может обеспечить научную основу и техническую поддержку для зрителей, заинтересованных в попытке этих методов.
