Name: thermocapillary convection space experiment on the sj-10 recoverable satellite
Uploaded: 2020-03-11T12:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Thermocapillary Convection Space Experiment on the SJ-10 Recoverable Satellite at JoVE.com

Der er mange deltagere, der har bidraget til det arbejde, der er rapporteret i dette papir, herunder alle medlemmer af vores projektteam, samt nogle mennesker fra Astronauts forsknings-og træningscenter (ACC) og Neusoft.
Dette arbejde er finansieret af den strategiske prioritet Forskningsprogram om Space Science, Kinesiske Academy of Sciences: SJ-10 Erstattes Videnskabelige Eksperiment Satellite (Grant No. XDA04020405 og XDA04020202-05) og af den fælles fond af National Natural Science Foundation of China (U1738116).

1. Forsøgssystemets udformning og forberedelse
<ol><li>Konstruktion af ringformede flydende pool.<ol>
<li>Der bygges en kobberringformet væskepulje, der måler Ri = 4 mm i inderdiameter og Ro = 20 mm i yderdiameter og d = 12 mm i højden.</li>
		<li>Brug en polysulfonplade, der måler RP = 20 mm i diameter som bunden af den flydende pool (se Materialetabel).</li>
		<li>Bor et lille hul, der måler φ = 2 mm i diameter tæt ...

<ol>
	<li>Scriven, L. E., Sternling, C. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+Marangoni+effect.">The Marangoni effect.</a> Nature. 187, 186-188 (1960).</li><li>Effects of heating mode on steady antisymmetric thermocapillary flows in microgravity. Heat Transfer in Microgravity Systems, Trans. American Society of Mechanical Engineers Available from: <a target="_blank" href="https://heattransfer.asmedigitalcollection.asme.org/">https://heattransfer.asmedigitalcollection.asme.org/</a> (1994)</li><li>Benz, S., Schwabe, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+three-dimensional+stationary+instability+in+dynamic+thermocapillary+shallow+cavities.">The three-dimensional stationary instability in dynamic thermocapillary shallow cavities.</a> Experiments in Fluids. 31, 409-416 (2001).</li><li>Schwabe, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Buoyant-thermocapillary+and+pure+thermocapillary+convective+instabilities+in+Czochralski+systems.">Buoyant-thermocapillary and pure thermocapillary convective instabilities in Czochralski systems.</a> Journal of Crystal Growth. 237-239, 1849-1853 (2002).</li><li>Kamotani, Y., Ostrach, S., Pline, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Analysis+of+velocity+data+taken+in+surface+tension+drivenconvection+experiment+in+microgravity.">Analysis of velocity data taken in surface tension drivenconvection experiment in microgravity.</a> Physics of Fluids. 6, 3601-3609 (1994).</li><li>Kamotani, Y., Ostrach, S., Pline, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+thermocapillary+convection+experiment+in+microgravity.">A thermocapillary convection experiment in microgravity.</a> Journal of Heat Transfer. 117, 611-618 (1995).</li><li>Kamotani, Y., Ostrach, S., Pline, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Some+temperature+field+results+from+the+thermocapillary+flow+experiment+aboard+USML-2+spacelab.">Some temperature field results from the thermocapillary flow experiment aboard USML-2 spacelab.</a> Advances in Space Research. 22, 1189-1195 (1998).</li><li>Kamotani, Y., Ostrach, S., Masud, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Microgravity+experiments+and+analysis+of+oscillatory+thermocapillary+flows+in+cylindrical+containers.">Microgravity experiments and analysis of oscillatory thermocapillary flows in cylindrical containers.</a> Journal of Fluid Mechanics. 410, 211-233 (2000).</li><li>Schwabe, D., Benz, S., Cramer, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Experiment+on+the+Multi-roll-structure+of+thermocapillary+flow+in+side-heated+thin+liquid+layers.">Experiment on the Multi-roll-structure of thermocapillary flow in side-heated thin liquid layers.</a> Advances in Space Research. 24 (10), 1367-1373 (1999).</li><li>Schwabe, D., Benz, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Thermocapillary+flow+instabilities+in+an+annulus+under+microgravity+results+of+the+experiment+MAGIA.">Thermocapillary flow instabilities in an annulus under microgravity results of the experiment MAGIA.</a> Advances in Space Research. 29, 629-638 (2002).</li><li>Kawamura, H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Report+on+Microgravity+Experiments+of+Marangoni+Convection+Aboard+International+Space+Station.">Report on Microgravity Experiments of Marangoni Convection Aboard International Space Station.</a> Journal of Heat Transfer. 134 (3), 031005 (2012).</li><li>Sato, F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Hydrothermal+Wave+Instability+in+a+High-Aspect-Ratio+Liquid+Bridge+of+Pr+&gt;+200.">Hydrothermal Wave Instability in a High-Aspect-Ratio Liquid Bridge of Pr &gt; 200.</a> Microgravity Science and Technology. 25 (1), 43-58 (2013).</li><li>Yano, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Instability+and+associated+roll+structure+of+Marangoni+convection+in+high+Prandtl+number+liquid+bridge+with+large+aspect+ratio.">Instability and associated roll structure of Marangoni convection in high Prandtl number liquid bridge with large aspect ratio.</a> Physics of Fluids. 27 (2), 024108 (2015).</li><li>Yao, Y. L., Liu, Q. S., Zhang, P., Hu, L., Liu, F., Hu, W. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Space+Experiments+on+Thermocapillary+Convection+and+Marangoni+Convection+in+Two+Immiscible+Liquid+Layers.">Space Experiments on Thermocapillary Convection and Marangoni Convection in Two Immiscible Liquid Layers.</a> Journal of the Japan Society of Microgravity Application. 15, 394-398 (1998).</li><li>Zhang, P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Space+experimental+device+on+Marangoni+drop+migrations+of+large+Reynolds+numbers.">Space experimental device on Marangoni drop migrations of large Reynolds numbers.</a> Science in China. 44 (6), 605-614 (2001).</li><li>Xie, J. C., Lin, H., Zhang, P., Liu, F., Hu, W. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Experimental+investigation+on+thermocapillary+drop+migration+at+large+Marangoni+number+in+reduced+gravity.">Experimental investigation on thermocapillary drop migration at large Marangoni number in reduced gravity.</a> Journal of Colloid and Interface Science. 285, 737-743 (2005).</li><li>Kang, Q., Cui, H. L., Hu, L., Duan, L., Hu, W. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Experimental+Investigation+on+bubble+coalescence+under+non-uniform+temperature+distribution+in+reduced+gravity.">Experimental Investigation on bubble coalescence under non-uniform temperature distribution in reduced gravity.</a> Journal of Colloid and Interface Science. 310, 546-549 (2007).</li><li>Duan, L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+real-time+March-Zehnder+interferometer+used+in+space+experiment.">The real-time March-Zehnder interferometer used in space experiment.</a> Microgravity Science and Technology. 20, 91-98 (2008).</li><li>Zhu, P., Zhou, B., Duan, L., Kang, Q. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Characteristics+of+surface+oscillation+in+thermocapillary+convection.">Characteristics of surface oscillation in thermocapillary convection.</a> Experimental Thermal and Fluid Science. 35, 1444-1450 (2011).</li><li>Zhu, P., Duan, L., Kang, Q. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Transition+to+chaos+in+thermocapillary+convection.">Transition to chaos in thermocapillary convection.</a> International Journal of Heat and Mass Transfer. 57, 457-464 (2013).</li><li>Kang, Q., Duan, L., Zhang, L., Yin, Y. L., Yang, J. S., Hu, W. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Thermocapillary+convection+experiment+facility+of+an+open+cylindrical+annuli+for+SJ-10+satellite.">Thermocapillary convection experiment facility of an open cylindrical annuli for SJ-10 satellite.</a> Microgravity Science and Technology. 28, 123-132 (2016).</li><li>Wang, J., Wu, D., Duan, L., Kang, Q. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Ground+Experiment+on+the+Instability+of+Buoyant-thermocapillary+Convection+in+Large+Scale+Liquid+Bridge+with+Large+Prandtl+Number.">Ground Experiment on the Instability of Buoyant-thermocapillary Convection in Large Scale Liquid Bridge with Large Prandtl Number.</a> International Journal of Heat and Mass Transfer. 108, 2107-2119 (2017).</li><li>Kang, Q., Jiang, H., Duan, L., Zhang, C., Hu, W. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+Critical+Condition+and+Oscillation+-+Transition+Characteristics+of+Thermocapillary+Convection+in+the+Space+Experiment+on+SJ-10+Satellite.">The Critical Condition and Oscillation - Transition Characteristics of Thermocapillary Convection in the Space Experiment on SJ-10 Satellite.</a> International Journal of Heat and Mass Transfer. 135, 479-490 (2019).</li><li>Kang, Q., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+volume+ratio+effect+on+flow+patterns+and+transition+processes+of+thermocapillary+convection.">The volume ratio effect on flow patterns and transition processes of thermocapillary convection.</a> Journal of Fluid Mechanics. 868 (108), 560-583 (2019).</li></ol>

På grund af begrænsningen af rumressourcerne er udstyrets volumen som helhed kun 400 mm × 352 mm × 322 mm med en vægt på kun 22,9 ± 0,2 kg. Dette er meget ubelejligt, når du udvælger og udstikker forsøgsanordninger, og etableringen af flowsystemet bliver det kritiske skridt. Derfor er den stigende temperaturforskel sat i to ender af væskepuljen, så væsken kan generere en række flowfænomener. For at observere hele processen med konvektionen fra stabil til svingning i et enkelt eksperiment vælges 2cSt silik...

Under mikrotyngdekraftsforhold i rummet præsenteres mange interessante fysiske fænomener på grund af fraværet af tyngdekraften. I en væske med en fri overflade findes der et nyt flowsystem (dvs. termosøjleagtigt flow), som skyldes temperaturgradienten eller koncentrationsgradienten. Forskellig fra traditionel konvektion på jorden, termopillær konvektion er et allestedsnærværende fænomen i rummet miljøer. Da det er et meget vigtigt forskningsemne i mikrotyngdekraftsvæskefysik, er der udført en række eksperimenter både i rummet og på jorden. For nylig blev der udført rumeksperimentelle undersøgelser af termopillær konvektion på SJ-10-satellitten, der kan genvindes. Rumeksperimentets nyttelast bestod af otte systemer, nemlig et flydende eksperimentsystem, væskelagrings- og indsprøjtningssystem, temperaturstyringssystem, termoelementmålesystem, infrarødt termisk kamera, forskydningssensorer, CCD-billedanskaffelsessystem og elektrisk styresystem, som vist i figur 1 (venstre). Rumeksperimentet nyttelast en forskning i overfladebølger af termosøjlekonvektion er vist i figur 1 (til højre). Denne undersøgelse fokuserede på ustabiliteten af flow, svingningsfænomener og overgange, som er vigtige egenskaber i overgangsprocessen fra laminarflow til kaos. Undersøgelser af disse grundlæggende emner har stor betydning for forskning vedrørende stærk ikke-lineær flow.
I modsætning til opdrift konvektion drevet af volumen kraft, termopillær konvektion er et fænomen forårsaget af overfladespænding i grænsefladen mellem to ufejlbare væsker. Omfanget af overfladespænding ændringer med nogle skalar parametre, herunder temperatur, opløst koncentration, og elektrisk felt styrke. Når disse skalarfelter fordeler ujævnt i grænsefladen, vil der være en overfladespændingsgradient på den frie overflade. Væsken på den frie overflade er drevet af overfladespændinggradienten for at bevæge sig fra placeringen med mindre overfladespænding til det med større overfladespænding. Dette flow blev først fortolket af en italiensk fysiker, Carlo Marangoni. Derfor blev det navngivet "Marangoni effekt"1. Marangoni flow på den frie overflade strækker sig til den indre væske ved viskositet og som et resultat genererer, hvad der er kendt som Marangoni konvektion.
Strengt taget, for det flydende system med en fri overflade, termopillær konvektion og opdrift konvektion altid vises samtidigt under normal tyngdekraft. Generelt, for en makroskopisk konvektive system, termopillær konvektion er en mindre effekt og er normalt ignoreret i forhold til opdrift konvektion. Men under betingelse af en lille konvektive system eller i mikrotyngdekraften miljø, opdrift konvektion vil blive stærkt svækket, eller endda forsvinde, og termopillær konvektion vil blive dominerende i flow-systemet. I en længere periode har forskningen været fokuseret på konveture i makroskala på grund af begrænsningerne i menneskelige aktiviteter og forskningsmetoder2,3,4. Men i de seneste årtier, med den hurtige udvikling af moderne videnskab og teknologi såsom rumfart, film, MEMS, og ikke-lineær videnskab, behovet for yderligere forskning i termopillær konvektion er blevet stadig mere presserende.
Undersøgelser vedrørende mikrotyngdekrafthydrodynamik har stor akademisk betydning og anvendelsesmuligheder. Mange dynamiskister, fysiske kemikere, biologer og materialer forskere har samlet for at arbejde på dette område. Kamotani og Ostrach afsluttede eksperimenter med termosøjleformet konvektion i en ringformet væskepulje under mikrotyngdekraftsbetingelser2,,5,,66,7,8 og observerede jævnstrøm, oscillatorisk flow og kritiske forhold. Schwabe et al. studerede opdrift-termopillær konvektion i en lignende ringformet flydende pulje3,9 og fandt, at oscillatoriske flow først optrådte som termosøjleibølger, og derefter vendte sig til en mere kompleks flow med stigningen i temperaturforskellen. I 2002 rapporterede Schwabe og Benz et al. en gruppe forsøg med termosøjleformet konvektion i en ringformet væskepulje udført på den russiske FOTON-12 satellit4,10. Deres rumeksperimentelle resultater var i overensstemmelse med eksperimentelle resultater på jorden. Nogle japanske forskere udførte tre serier af eksperimenter på flydende bro termosøjlei konvektion, opkaldt Marangoni Experiment in Space (MEIS), på Den Internationale Rumstation11,12,13. Nogle eksperimentelle udstyr, herunder kameraet, termisk imager, termoelement sensorer, og 3D-PTV og fotokromisk teknologi, blev anvendt i disse tre opgaver. De kritiske betingelser for termosøjlekonvektion ved forskellige højde-bredde-forhold blev bestemt, og tredimensionale (3D) flowstrukturer blev observeret.
I løbet af de sidste 30 år har mikrotyngdekraftvidenskab gennemgået en produktiv udvikling i Kina14,15,16, og der er udført en række mikrotyngdekraftseksperimenter i rummet17,18. Inden for flydende fysik, den første mikrotyngdekraft eksperiment var studiet af to-lags væske på SJ-5 genindvindelige satellit i 1999, og flowstruktur blev opnået ved partikel sporing metode14. I 2004 blev undersøgelsen om termopillær migration af en dråbe udført på SZ-4, og forholdet mellem migration hastighed og kritiskmach (Ma) nummer blev opnået15,16. I 2005 blev den eksperimentelle undersøgelse af multi-boble termopillær migration udført på JB-417, og migrationsreglerne blev opnået som Ma-nummeret blev øget til 8.000. I mellemtiden blev problemer som boblesammenlægning også undersøgt. I 2006 blev undersøgelsen om diffusionmasseoverførsel udført på Satellitten SJ-8, der kunne genvindes, mach-Zehnder-interferometeret blev først anvendt i rumeksperimentet, processen med masseoverførsel af diffusion blev observeret, og diffusionskoefficienten blev evalueret18.
I de senere år er der gennemført en række eksperimentelle jordundersøgelser med fokus på svingninger og tofurcationprocesser i termosøjlekonvektion, og den koblede effekt af opdrift og termosøjlekraft er blevet analyseret. Eksperimentelle resultater viser , at opdriften ikke kan ignoreres i forsøg på jorden , da den spiller en dominerende rolle i mange tilfælde19,20,21,22. I 2016 blev der udført to mikrotyngdekraftsforsøg for at forske i termopillær konvektion i den flydende bro på TG-2 og termopillær konvektion i den ringformede væskepulje på SJ-10-satellitten23,24. Dette papir introducerer den eksperimentelle nyttelast af termopillær konvektion på SJ10, og rummet eksperiment resultater. Disse metoder vil være nyttige i at udforske mekanismen for termopillær svingninger.
For at observere den konvektive mønsterovergang, temperatursvingninger og væskefri overfladedeformation, seks termoelementer, et infrarødt termisk kamera og en forskydningssensor til kvantificering af frekvens, amplitude og andre fysiske mængder af svingningen blev anvendt. Gennem undersøgelser af svingninger og overgang i termosøjlekonvektion i rummet kan termosøjlekonvektionsmekanismen i mikrotyngdekraftsmiljøet, som giver videnskabelig vejledning for materialevækst i rummet, opdaget og forstået. Desuden vil teknologiske gennembrud i sådanne rumeksperimenter, såsom teknikker til vedligeholdelse af flydende overflader og væskeindsprøjtning uden bobler, yderligere øge enkelheden og det tekniske niveau af mikrotyngdekraftseksperimenter i væske Fysik.
Dette papir introducerer nyttelastudvikling og rumeksperiment af termopillær overflade bølge projekt udført på SJ-10 videnskabelige eksperimentelle satellit. Som et rumeksperiment nyttelast, denne termopillær konvektion ssystem har en stærk anti-vibration evne til at forhindre voldelige chok, især under satellit opsendelsesprocessen. For at opfylde kravene til fjerndrift styres rumeksperimentprocessen automatisk, og rumforsøgsdata kan overføres til rumfartøjets jordsignalmodtagerstation og derefter til forskernes eksperimentelle Platform.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>anti-creeping liquid</td>
			<td>3M</td>
			<td>EGC-1700</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>CCD</td>
			<td>WATTEC</td>
			<td>WAT-230VIVID</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Displacement sensor</td>
			<td>Panasonic</td>
			<td>HL-C1</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Heating film</td>
			<td>HongYu</td>
			<td>125 Q/W335.1A</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Hydraulic cylinder</td>
			<td>FESTO</td>
			<td>ADVU-40-25-P-A</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Infrared camera</td>
			<td>FLIR</td>
			<td>Tau2</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>LED</td>
			<td>693 Institute</td>
			<td>10257MW7C</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Montor</td>
			<td>PI</td>
			<td>M-227</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Montor controller</td>
			<td>PI</td>
			<td>C-863</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Pipe, 4mm</td>
			<td>FESTO</td>
			<td>PUN-4X0,75-GE</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>polysulfone plate</td>
			<td>507 Institute</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Refrigeration chip</td>
			<td>Zhongke</td>
			<td>9502/065/021M</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Silicon oil, 2cSt</td>
			<td>Shin-Etsu</td>
			<td>KF-96</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Solenoid</td>
			<td>FESTO</td>
			<td>MFH-2-M5</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Temperature controller</td>
			<td>Eurotherm</td>
			<td>3304</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Thermocouple, K-type</td>
			<td>North University of China</td>
			<td>ZBDX-HTTK</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

thermocapillary convection space experiment on the sj-10 recoverable satellite

Termosøjleikonvektion er et vigtigt forskningsemne i mikrotyngdekraftsvæskefysik. Den eksperimentelle undersøgelse af overfladebølger af termosøjleformet konvektion i en ringformet væskepulje er et af de 19 videnskabelige forsøgsprojekter på Satellitten SJ-10. Præsenteret er et design for en nyttelast for plads eksperimentelle undersøgelse af termosøjlei konvektion, der omfatter den eksperimentelle model, målesystem, og kontrolsystem. Detaljerne for konstruktion af en forsøgsmodel af en ringformet væskepulje med variable volumenforhold er fastsat. Væsketemperaturerne registreres af seks termoelementer med en høj følsomhed på 0,05 °C på forskellige steder. Temperaturfordelingerne på den væskefrie overflade opfanges ved hjælp af et infrarødt termisk kamera. Den frie overfladedeformation detekteres af en forskydningssensor med en høj nøjagtighed på 1 μm. Den eksperimentelle proces er fuldt automatiseret. Forskningen er fokuseret på termosøjleagtig svingningsfænomener på den væskefri overflade og konvektive mønsterovergange gennem analyser af eksperimentelle data og billeder. Denne forskning vil være nyttigt at forstå mekanismen for termopillær konvektion og vil give yderligere indsigt i de ikke-lineære egenskaber, flow ustabilitet, og tvedel overgange af termosøjlestol konvektion.

Det nøjagtige volumenforhold blev defineret, og den flydende overfladetopografi blev rekonstrueret baseret på de billeder, der blev taget af CCD'en. Den kritiske ustabilitetstilstand blev bestemt, og svingningsegenskaberne blev undersøgt gennem analyser af enkeltpunktstemperatursignaler og forskydningsoscillerende signaler. Strukturen af flowfeltet blev opnået, og overgangen af flowmønsteret blev bestemt gennem ændringen af det infrarøde billede med tiden. Flowegenskaberne, flowmek...

Watch this Scientific Journal Video about Thermocapillary Convection Space Experiment on the SJ-10 Recoverable Satellite at JoVE.com

Thermocapillary Convection Space Experiment on the SJ-10 Recoverable Satellite

En protokol for rummet nyttelast design, rummet eksperiment på termopillær konvektion, og analyser af eksperimentelle data og billeder præsenteres i dette papir.

Termopillær konvektion space eksperiment på SJ-10 erstattes satellit

Thermocapillary convection is an important research subject in microgravity fluid physics. The experimental study on surface waves of thermocapillary ...

Forståelse af virkningerne af svingning og bifurcation i thermocapillary konvektion er vigtigt for studiet af en stærk ikke-lineær strøm i rummet. På grund af begrænsede pladsressourcer og -betingelser bør den eksperimentelle nyttelast være lille i størrelse, let vægt og have anti-vibrationsevner. Gennembrud inden for rumteknologi, såsom udførelse af væskeoverfladevedligeholdelse og væskeindsprøjtning uden bobler, kan yderligere forbedre den tekniske kapacitet af mikrotyngdekraftsforsøg i væskefysik.Observation af konvektionsovergangen, temperaturoscillationen og overfladens deformation af en væske kræver brug af termoelementer et infrarødt termisk kamera og en forskydningssensor. Demonstration af proceduren vil være Wang Jia, Wu Di, og Hu Liang, teknikere fra mit laboratorium. Begynd med at konstruere en kobber ringformet væske pool med en indre radius på fire millimeter i diameter og en ydre radius på 20 millimeter i diameter og en højde på 12 millimeter.Brug en 20-millimeter diameter polysulfon plade som bunden af den flydende pool, og bor en lille, to-millimeter-diameter hul seks millimeter væk fra midten af pladen som flydende injektion hul. Tilføj skarpe, 45-graders-vinkel hjørner på de indre og ydre sidevægge, og anvende anti-krybende væske til de indre og ydre vægge til en højde større end 12 millimeter. Vælg derefter en passende silikoneolie med lav viskositet som arbejdsvæsken, og varm væsken op til 60 grader Celsius.For at aflade gas fra olien, anvende mindre end 150 pascal af tryk i seks timer, efterfulgt af støvsugning af væsken opbevaringssystem, indtil trykket når lige under 200 pascal. Derefter aflaste ventilen, så silikoneolien kan fylde den støvsugede cylinder uden gas. For at opsætte injektionssystemet til arbejdsvæsken skal du vælge en trinmotor til at drive injektionen og suge væsken og anvende en magnetventil til at styre tænd/sluk-kontakten på injektionssystemet.Brug en universel samling til at forbinde trinmotoren til væskecylinderen, og brug et rør med fire millimeter ydre diameter til successivt at forbinde væskecylinderen, magnetventilen og injektionshullet. For at etablere målesystemet skal du placere seks termoelementer inde i væskebassinet for at måle temperaturerne på forskellige punkter, som vist i figuren. Placer et infrarødt kamera direkte over væskeoverfladen, og drej objektivet for at justere fokus og indsamle temperaturfeltoplysningerne på den væskefri overflade.Juster forskydningssensoren for at måle forskydningen af et bestemt interessepunkt på væskeoverfladen, og brug CCD-kameraet til at fokusere på væskeoverfladen. Derefter registrere ændringen af den frie overflade. Hvis du vil starte eksperimentet, skal du starte eksperimentstyringssoftwaren og tænde tænd for tænd/sluk-knappen.For at udføre væskeindsprøjtningen skal der anvendes 12 volt på magnetventilen for at åbne ventilen. Tænd derefter for motorknappen for at starte motoren på et trin på 2.059 millimeter for at injicere 10,305 milliliter silikoneolie i væskebassinet. Når al olien er leveret, skal magnetventilen slukkes for at lukke magnetventilen.For at udføre lineær opvarmning skal du indstille varmemåltemperaturen til 50 grader Celsius, kølemåltemperaturen til 15 grader Celsius og varmehastigheden til 0,5 grader Celsius i minuttet. For dataindsamling skal du indstille samplingfrekvensen for den infrarøde billedstråle til 7,5 hertz, termoelementfrekvensen og forskydningssensoren til 20 hertz og CCD-frekvensen til 24 hertz. Når alle parametrene er angivet, skal du klikke på dataopsamlingssystemknappen og overvåge temperaturen, forskydningen og andre oplysninger af interesse for computersoftwaren.Sluk for strømmen i slutningen af analysen. Disse eksperimentelle model og målemetoder blev integreret i denne nyttelast på SJ-10 satellitten. 23 mikrotyngdekraftsforsøg på overfladebølgetermisk konvektion er afsluttet.I disse infrarøde termiske billeder af temperaturfordelingerne på en væskefri overflade i thermocapillary konvektion kan der observeres en række svingningsmønstre, herunder radiale svingninger og omkreds omdrejninger med uret og mod uret. I dette repræsentative eksperiment steg temperaturerne inde i væsken lineært, og temperaturforskellen steg, og temperaturfeltet svinger regelmæssigt, når temperaturforskellen har overskredet en vis tærskel, hvilket indikerer, at termonkapillær konvektion udviklede sig fra en stabil tilstand til en oscillerende tilstand. Desuden voksede amplituden af svingningstemperaturen, efterhånden som flowfeltet udviklede sig, som angivet i denne spektrumanalyse, hvilket viste, at den kritiske svingningsfrekvens var 0,064 hertz.Selv om opdrift konvektion af den lille jordsystem blev svækket, strømmen var stadig en kobling af thermocapillary og opdrift konvektioner, med forskellige resultater observeret i rummet eksperiment resultater, sammenlignet resultater opnået i jorden eksperimenter. Ved at sammenligne et stort antal deformationsdata for den væskefrie overflade målt af forskydningsføleren og temperaturdataene for væsken målt ved termoelementerne blev det også observeret, at overfladedeformationen og temperaturfeltet i væsken begyndte at svinge på samme tid og med samme hyppighed. Disse to nøgleteknologier, vedligeholdelse af en væskeoverflade og injektion af væsker uden bobledannelse, spiller afgørende roller i eksperimentrumforskning.Vi håber, at dette arbejde kan give et videnskabeligt grundlag og teknisk støtte til seere interesseret i at forsøge disse teknikker.

Research

Education

JoVE Journal

JoVE Core

Physics

Engineering

Unit 1

Gravitation

SCIENTISTS IN ACTION

Fabrication of Uniform Nanoscale Cavities via Silicon Direct Wafer Bonding

Fremstilling af ensartede nanoskala hulrum via Silicon Direct Wafer Bonding

Measurements of the heat capacity and superfluid fraction of confined 4He have been performed near the lambda transition using lithographically patterned ...

Measurement and Analysis of Atomic Hydrogen and Diatomic Molecular AlO, C2, CN, and TiO Spectra Following Laser-induced Optical Breakdown

Measurement and Analysis of Atomic Hydrogen and Diatomic Molecular AlO, C2, CN, and TiO Spectra Following Laser-induced Optical Breakdown

Måling og analyse af Atomic Brint og diatomiske Molekylær AlO, C<sub&gt; 2.</sub&gt;, CN, og TiO Spectra flg. Laser-induceret Optisk Fordeling

In this work, we present time-resolved measurements of atomic and diatomic spectra following laser-induced optical breakdown. A typical LIBS arrangement ...

Casting Protocols for the Production of Open Cell Aluminum Foams by the Replication Technique and the Effect on Porosity

Casting Protokoller til produktion af åbne celler Aluminum Skum af replikering Teknik og effekten på Porøsitet

Metal foams are interesting materials from both a fundamental understanding and practical applications point of view. Uses have been proposed, and in many ...

A Basic Positron Emission Tomography System Constructed to Locate a Radioactive Source in a Bi-dimensional Space

En grundlæggende Positron Emission Tomography System Konstrueret Find en radioaktiv kilde i en Bi-dimensionelle rum

A simple Positron Emission Tomography (PET) prototype has been constructed to fully characterize its basic working principles. The PET prototype was ...

Experiments on Ultrasonic Lubrication Using a Piezoelectrically-assisted Tribometer and Optical Profilometer

Forsøg med Ultrasonic Smøring Ved hjælp af en piezoelektrisk-assisteret Friktionsmåler og optisk profilometer

Friction and wear are detrimental to engineered systems. Ultrasonic lubrication is achieved when the interface between two sliding surfaces is vibrated at ...

Fabrication Process of Silicone-based Dielectric Elastomer Actuators

Fabrication Processen med silikone-baserede Dielektriske Elastomer aktuatorer

This contribution demonstrates the fabrication process of dielectric elastomer transducers (DETs). DETs are stretchable capacitors consisting of an ...

Fabrication and Characterization of Superconducting Resonators

Fremstilling og karakterisering af superledende Resonatorer

Superconducting microwave resonators are of interest for a wide range of applications, including for their use as microwave kinetic inductance detectors ...

In Situ Synthesis of Gold Nanoparticles without Aggregation in the Interlayer Space of Layered Titanate Transparent Films

In Situ Synthesis of Gold Nanoparticles without Aggregation in the Interlayer Space of Layered Titanate Transparent Films

In Situ Syntese af Gold Nanopartikler uden Sammenlægning i mellemlaget Space of Layered titanat Gennemsigtige Films

Combinations of metal oxide semiconductors and gold nanoparticles (AuNPs) have been investigated as new types of materials. The in situ synthesis of AuNPs ...

Study of Siphon Breaker Experiment and Simulation for a Research Reactor

Undersøgelse af sifon Breaker eksperiment og Simulation for en forskningsreaktoren

Under the design conditions of a research reactor, the siphon phenomenon induced by pipe rupture can cause continuous outward flow of water. To prevent ...

Predicting Catalyst Extrudate Breakage Based on the Modulus of Rupture

Forudsige katalysator Extrudate brud baseret på Modulus for sprængning

The mechanical strength of extruded catalysts and their natural or forced breakage by either collision against a surface or by a compressive load in a ...