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

Er zijn veel deelnemers die hebben bijgedragen aan het werk gemeld in deze krant, met inbegrip van alle leden van ons projectteam, evenals een aantal mensen van de Astronauten onderzoeks-en opleidingscentrum (ACC) en Neusoft.
Dit werk wordt gefinancierd door het Strategic Priority Research Program on Space Science, Chinese Academy of Sciences: SJ-10 Recoverable Scientific Experiment Satellite (Grant No. XDA04020405 en XDA04020202-05), en door het gezamenlijke fonds van de National Natural Science Foundation of China (U1738116).

1. Ontwerp en voorbereiding van het experimentele systeem
<ol><li>Bouw de ringvormige vloeibare pool.<ol>
<li>Bouw een koperen ringvormige vloeistofpool van Ri = 4 mm in binnendiameter en Ro = 20 mm in buitendiameter en d = 12 mm hoog.</li>
		<li>Gebruik een polysulfoneplaat met een diameter van RP = 20 mm als bodem van de vloeistofpool (zie Materiaaltabel).</li>
		<li>Boor een klein gaatje met een diameter van φ = 2 mm in d...

<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>

Door de beperking van de ruimtebronnen bedraagt het volume van de apparatuur als geheel slechts 400 mm × 352 mm × 322 mm, met een gewicht van slechts 22,9 ± 0,2 kg. Dit is erg lastig bij het selecteren en leggen van experimentele apparaten, en de oprichting van het stroomsysteem wordt de kritieke stap. Daarom wordt het toenemende temperatuurverschil ingesteld aan twee uiteinden van de vloeistofpool, zodat de vloeistof een reeks stroomverschijnselen kan genereren. Om het hele proces van de convectie van steady naar osc...

Onder microzwaartekracht omstandigheden in de ruimte, veel interessante fysieke verschijnselen worden gepresenteerd als gevolg van de afwezigheid van zwaartekracht. In een vloeistof met een vrij oppervlak bestaat een nieuw stroomsysteem (d.w.z. thermocapillaraire stroom) dat wordt veroorzaakt door de temperatuurgradiënt of concentratiegradiënt. Anders dan traditionele convectie op de grond, thermocapillary convectie is een alomtegenwoordig fenomeen in de ruimte omgevingen. Omdat het een zeer belangrijk onderzoeksonderwerp is in microzwaartekrachtvloeistoffysica, zijn er zowel in de ruimte als op de grond een aantal experimenten uitgevoerd. Onlangs werden ruimte experimentele studies uitgevoerd op thermocapillary convectie op de SJ-10 herstelbare wetenschappelijke experiment satelliet. Het laadvermogen van het ruimte-experiment bestond uit acht systemen, namelijk een vloeistofexperimentsysteem, vloeistofopslag- en injectiesysteem, temperatuurbeheersingssysteem, thermokoppelmeetsysteem, infraroodthermische camera, verplaatsingssensoren, CCD-beeldacquisitiesysteem en elektrisch controlesysteem, zoals blijkt uit figuur 1 (links). De ruimte-experiment payload voor onderzoek naar oppervlaktegolven van thermocapillary convectie wordt weergegeven in figuur 1 (rechts). Deze studie richtte zich op de instabiliteit van de stroming, oscillatieverschijnselen en overgangen, die belangrijke kenmerken zijn in het overgangsproces van laminaire stroom naar chaos. Studies over deze fundamentele onderwerpen hebben grote betekenis voor onderzoek met betrekking tot een sterke niet-lineaire stroom.
In tegenstelling tot drijfvermogen convectie aangedreven door volumekracht, thermocapillary convectie is een fenomeen veroorzaakt door oppervlaktespanning binnen de interface tussen twee immiscible vloeistoffen. De omvang van de oppervlaktespanning verandert met enkele scalaire parameters, waaronder temperatuur, solute concentratie, en elektrische veldsterkte. Wanneer deze scalaire velden ongelijk verdelen in de interface, zal er een oppervlaktespanningsgradiënt aanwezig zijn op het vrije oppervlak. De vloeistof op het vrije oppervlak wordt aangedreven door de helling van de oppervlaktespanning om van de locatie met een lagere oppervlaktespanning naar die met een grotere oppervlaktespanning te gaan. Deze stroom werd voor het eerst geïnterpreteerd door een Italiaanse natuurkundige, Carlo Marangoni. Vandaar, werd het genoemd het "effect Marangoni"1. Marangoni stroom op het vrije oppervlak strekt zich uit tot de binnenste vloeistof door viscositeit en als gevolg daarvan genereert wat bekend staat als Marangoni convectie.
Strikt genomen verschijnen voor het vloeistofsysteem met een vrij oppervlak, thermocapillary convectie en drijfvermogenconvectie altijd gelijktijdig onder normale zwaartekracht. In het algemeen, voor een macroscopisch convecective systeem, thermocapillary convectie is een klein effect en wordt meestal genegeerd in vergelijking met drijfvermogen convectie. Echter, onder de voorwaarde van een kleinschalig convectiefsysteem of in de microzwaartekracht omgeving, drijfvermogen convectie zal sterk worden verzwakt, of zelfs verdwijnen, en thermocapillary convectie zal dominant worden in het stroomsysteem. Het onderzoek is lange tijd gericht op het convectie op macroschaal drijfvermogen vanwege de beperkingen in menselijke activiteiten en onderzoeksmethoden2,3,4. Echter, in de afgelopen decennia, met de snelle ontwikkeling van de moderne wetenschap en technologie zoals lucht-en ruimtevaart, film, MEMS, en niet-lineaire wetenschap, de noodzaak van verder onderzoek naar thermocapillary convectie is steeds dringender geworden.
Studies met betrekking tot microzwaartekracht hydrodynamica hebben een belangrijke academische betekenis en toepassingsvooruitzichten. Veel dynamicisten, fysische chemici, biologen en materiaalwetenschappers hebben zich verzameld om op dit gebied te werken. Kamotani en Ostrach voltooiden experimenten op thermocapillary convectie in een ringvormige vloeibare pool onder microzwaartekrachtomstandigheden2,5,6,7,8 en waargenomen gestage stroom, oscillatory flow, en kritieke omstandigheden. Schwabe et al. bestudeerden drijfvermogen-thermocapillary convectie in een gelijkaardige ringvormige vloeibare pool3,9 en vonden dat de oscillatory stroom eerst als thermocapillary golven verscheen, en draaide toen aan een complexere stroom met de verhoging van temperatuurverschil. In 2002 rapporteerden Schwabe en Benz et al. een groep experimenten op thermocapillary convectie in een ringvormige vloeibare pool uitgevoerd op de Russische FOTON-12 satelliet4,10. Hun ruimte experimentele resultaten waren in overeenstemming met de grond experimentele resultaten. Sommige Japanse wetenschappers voerden drie reeksen experimenten op vloeibare brug thermocapillary convectie, genaamd de Marangoni Experiment in Space (MEIS), op het International Space Station11,12,13. Sommige experimentele apparatuur, waaronder de camera, thermische imager, thermocouple sensoren, en 3D-PTV en fotochromische technologie, werden toegepast in deze drie taken. De kritieke omstandigheden van thermocapillary convectie bij verschillende aspectratio's werden bepaald en driedimensionale (3D) stroomstructuren werden waargenomen.
In de afgelopen 30 jaar heeft microzwaartekracht wetenschap een vruchtbare ontwikkeling ondergaan in China14,15,16, en een aantal microzwaartekracht experimenten zijn uitgevoerd in de ruimte17,18. Op het gebied van vloeibare fysica, de eerste microzwaartekracht experiment was de studie van twee-laags vloeistof op de SJ-5 herstelbare satelliet in 1999, en de stroomstructuur werd verkregen door de deeltjes traceermethode14. In 2004 werd de studie naar thermocapillaraire migratie van een druppel uitgevoerd op de SZ-4, en de relatie tussen migratiesnelheid en kritische Mach (Ma) nummer werd verkregen15,16. In 2005 werd de experimentele studie over multi-bubble thermocapillaraire migratie uitgevoerd op de JB-417, en de migratieregels werden verkregen omdat het Ma-aantal werd verhoogd tot 8.000. Ondertussen werden ook problemen als bellen samensmelten bestudeerd. In 2006 werd de studie naar verspreidingsmassaoverdracht uitgevoerd op de SJ-8 herstelbare satelliet, werd de Mach-Zehnder interferometer voor het eerst toegepast in het ruimte-experiment, werd het proces van verspreiding massaoverdracht waargenomen en werd de diffusiecoëfficiënt geëvalueerd18.
In de afgelopen jaren is een reeks grondexperimentele studies uitgevoerd gericht op oscillatie- en bifurcatieprocessen in thermocapillary convectie en het gekoppelde effect van drijfvermogen en thermocapillaraire kracht is geanalyseerd. Uit de experimentele resultaten blijkt dat het drijfvermogeneffect niet kan worden genegeerd in grondexperimenten, aangezien het in veel gevallen een dominante rol speelt in veel gevallen19,20,21,22. In 2016 werden twee microzwaartekrachtexperimenten uitgevoerd om thermocapillary convectie in de vloeibare brug op de TG-2 en thermocapillary convectie in de ringvormige vloeistofpool op de SJ-10 herstelbare satelliet23,24te onderzoeken. Het huidige papier introduceert de experimentele lading van thermocapillary convectie op de SJ10, en de ruimte experiment resultaten. Deze methoden zullen nuttig zijn bij het verkennen van het mechanisme van thermocapillary oscillatie.
Om de convectieve patroonovergang, temperatuuroscillatie en vloeistofvrije oppervlaktevervorming te observeren, zes thermokoppels, een infraroodthermische camera en een verplaatsingssensor om de frequentie, amplitude en andere fysieke hoeveelheden te kwantificeren van de schommeling werden gebruikt. Door onderzoek naar oscillatie en overgang in thermocacapillaire convectie in de ruimte kan het mechanisme van thermocacapaire convectie in de microzwaartekrachtomgeving, die wetenschappelijke richtlijnen biedt voor de groei van materialen in de ruimte, ontdekt en begrepen. Bovendien zullen technologische doorbraken in dergelijke ruimte-experimenten, zoals de technieken van vloeibaar oppervlakteonderhoud en vloeibare injectie zonder bellen, de eenvoud en het technische niveau van microzwaartekrachtexperimenten in vloeistof verder verbeteren Natuurkunde.
Dit document introduceert de payload ontwikkeling en ruimte experiment van de thermocapillary oppervlaktegolf project uitgevoerd op de SJ-10 wetenschappelijke experimentele satelliet. Als een ruimte experiment payload, dit thermocapillary convectie systeem heeft een sterke anti-vibratie vermogen om gewelddadige schok te voorkomen, vooral tijdens de satelliet lancering proces. Om te voldoen aan de vereisten van de bediening op afstand, wordt het ruimte-experimentproces automatisch geregeld en kunnen de experimentele gegevens in de ruimte worden doorgegeven aan het grondsignaalontvangststation van het ruimtevaartuig en vervolgens naar de experimentele 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

Thermocapillary convectie is een belangrijk onderzoeksonderwerp in microzwaartekracht vloeistoffysica. De experimentele studie over oppervlaktegolven van thermocapillary convectie in een ringvormige vloeibare pool is een van de 19 wetenschappelijke experimentele projecten op de SJ-10 herstelbare satelliet. Gepresenteerd is een ontwerp voor een payload voor ruimte experimentele studie over thermocapillary convectie die het experimentele model, meetsysteem, en controlesysteem omvat. De specifieke kenmerken voor de bouw van een experimenteel model van een ringvormige vloeistofpool met variabele volumeverhoudingen worden verstrekt. De vloeistoftemperaturen worden geregistreerd door zes thermokoppels met een hoge gevoeligheid van 0,05 °C op verschillende punten. De temperatuurverdelingen op het vloeistofvrije oppervlak worden vastgelegd door middel van een infrarood thermische camera. De vervorming van het vrije oppervlak wordt gedetecteerd door een verplaatsingssensor met een hoge nauwkeurigheid van 1 μm. Het experimentele proces is volledig geautomatiseerd. Het onderzoek richt zich op thermocapillaraire oscillatieverschijnselen op het vloeistofvrije oppervlak en convectieve patroonovergangen door middel van analyses van experimentele gegevens en beelden. Dit onderzoek zal nuttig zijn om het mechanisme van thermocapillary convectie te begrijpen en zal verdere inzichten bieden in de niet-lineaire kenmerken, stroominstabiliteit en bifurcatieovergangen van thermocapillary convectie.

De nauwkeurige volumeverhouding werd gedefinieerd en de topografie van het vloeibare oppervlak werd gereconstrueerd op basis van de beelden die door de CCD zijn vastgelegd. De kritieke instabiliteitsvoorwaarde werd bepaald, en de schommelingskenmerken werden bestudeerd door analyses op enig punttemperatuursignalen en verplaatsing scillerende signalen. De structuur van het stroomveld werd verkregen en de overgang van het stroompatroon werd bepaald door de verandering van het infraroodbeeld...

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

Een protocol voor de ruimte payload ontwerp, de ruimte experiment op thermocapillary convectie, en analyses van experimentele gegevens en beelden worden gepresenteerd in dit papier.

Thermocapillary Convectie Ruimte Experiment op de SJ-10 Herstelbare Satelliet

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

Inzicht in de effecten van oscillatie en splitsing in thermocapillaire convectie is belangrijk voor de studie van een sterke niet-lineaire stroom in de ruimte. Als gevolg van beperkte ruimte middelen en omstandigheden, de experimentele payload moet klein zijn in omvang, licht in gewicht, en beschikken over anti-vibratie vaardigheden. Ruimtetechnologie doorbraken, zoals het uitvoeren van vloeibaar oppervlakteonderhoud en de vloeibare injectie zonder bellen, kunnen de technische capaciteit van microzwaartekrachtexperimenten in vloeibare fysica verder verbeteren.Het observeren van de convectieovergang, temperatuurschommelingen en de oppervlaktevervorming van een vloeistof vereist het gebruik van thermokoppels een infrarood thermische camera en een verplaatsingssensor. Het aantonen van de procedure zal Zijn Wang Jia, Wu Di, en Hu Liang, technici van mijn laboratorium. Begin met de bouw van een koperen ringvormige vloeistofpool met een binnenstraal van vier millimeter in diameter en een buitenstraal van 20 millimeter in diameter en een hoogte van 12 millimeter.Gebruik een polysulfoneplaat met een diameter van 20 millimeter als de bodem van het vloeibare zwembad en boor een klein gat met twee millimeter diameter op zes millimeter afstand van het midden van de plaat als het vloeibare injectiegat. Voeg scherpe hoeken met een hoek van 45 graden toe aan de binnen- en buitenzijde en breng anti-kruipende vloeistof aan op de binnen- en buitenmuren tot een hoogte van meer dan 12 millimeter. Selecteer vervolgens een geschikte siliconenolie met een lage viscositeit als werkvloeistof en verwarm de vloeistof tot 60 graden Celsius.Om gas uit de olie te ontladen, breng minder dan 150 pascalen van druk gedurende zes uur, gevolgd door het stofzuigen van de vloeistofopslag systeem totdat de druk net onder de 200 pascals. Ontlast vervolgens de klep zodat de siliconenolie de gevacuümde cilinder zonder gas kunnen vullen. Als u het injectiesysteem voor de werkende vloeistof wilt instellen, selecteert u een stapmotor om de injectie en zuiging van vloeistof aan te drijven en past u een solenoïde klep aan om de aan/uit-schakelaar van het injectiesysteem te regelen.Gebruik een universele verbinding om de stapmotor aan te sluiten op de vloeibare cilinder en gebruik een pijp met een buitendiameter met een buitendiameter om achtereenvolgens de vloeibare cilinder, solenoïde klep en injectiegat aan te sluiten. Om het meetsysteem vast te stellen, plaatst u zes thermokoppels in de vloeistofpool om de temperaturen op verschillende punten te meten, zoals geïllustreerd in de figuur. Plaats een infraroodcamera direct boven het vloeibare oppervlak en draai de lens om de focus aan te passen en om de informatie over het temperatuurveld op het vloeistofvrije oppervlak te verzamelen.Pas de verplaatsingssensor aan om de verplaatsing van een specifiek punt van belang op het vloeibare oppervlak te meten en gebruik de CCD-camera om zich op het vloeibare oppervlak te concentreren. Neem vervolgens de verandering van het vrije oppervlak op. Als u het experiment wilt starten, start u de software voor het besturingselement voor het experiment en schakelt u de aan/uit-knop in.Om de vloeibare injectie uit te voeren, breng 12 volt aan op de solenoïde klep om de klep te openen. Schakel vervolgens de motorknop in om de motor te starten bij een stap van 2.059 millimeter om 10, 305 milliliter siliconenolie in de vloeistofpool te injecteren. Wanneer alle olie is geleverd, schakelt u de solenoïde klepkracht uit om de solenoïde klep te sluiten.Om lineaire verwarming uit te voeren, stelt u de verwarmingsdoeltemperatuur in op 50 graden Celsius, de koeldoeltemperatuur op 15 graden Celsius en de verwarmingssnelheid op 0,5 graden Celsius per minuut. Stel voor het verzamelen van gegevens de bemonsteringsfrequentie van de infraroodbeeldcamera in op 7,5 hertz, de thermokoppelfrequentie en de verplaatsingssensor op 20 hertz en de CCD-frequentie op 24 hertz. Wanneer alle parameters zijn ingesteld, klikt u op de knop systeem voor het verzamelen van gegevens en controleert u de temperatuur, verplaatsing en andere informatie die van belang is voor de computersoftware.Aan het einde van de analyse, zet de macht uit. Deze experimentele model- en meetmethoden werden geïntegreerd in deze payload op de SJ-10 satelliet. 23 microzwaartekracht experimenten op oppervlaktegolf thermocapillary convectie zijn voltooid.In deze infrarood thermische beelden van de temperatuurverdelingen op een vloeistofvrij oppervlak in thermocapillary convectie, kan een verscheidenheid aan oscillerende stromingspatronen worden waargenomen, waaronder radiale trillingen en met de klok mee en tegen de klok in omtrekrotiële rotaties. In dit representatieve experiment stegen de temperaturen in de vloeistof lineair met een stijging van het temperatuurverschil, waarbij het temperatuurveld periodiek fluctueerde zodra het temperatuurverschil een bepaalde drempel overschreed, wat aangeeft dat de thermocapillaire convectie zich ontwikkelde van een stabiele toestand tot een oscillerende toestand. Bovendien groeide de amplitude van de oscillerende temperatuur naarmate het stroomveld evolueerde, zoals aangegeven in deze spectrumanalyse, waaruit bleek dat de kritische oscillatiefrequentie 0,064 hertz was.Hoewel de drijfvermogen convectie van het kleinschalige grondsysteem werd verzwakt, was de stroom nog steeds een koppeling van thermocapillair en drijfvermogen convecties, met verschillende resultaten waargenomen in de ruimte experiment resultaten, vergeleken resultaten verkregen in grond experimenten. Door een groot aantal vervormingsgegevens te vergelijken voor het vloeistofvrije oppervlak gemeten door de verplaatsingssensor en de temperatuurgegevens van de vloeistof gemeten door de thermokoppels, werd ook waargenomen dat de oppervlaktevervorming en het temperatuurveld in de vloeistof tegelijkertijd en op dezelfde frequentie begonnen te oscilleren. Deze twee sleuteltechnologieën, het behoud van een vloeibaar oppervlak en de injectie van vloeistoffen zonder bellenvorming, spelen een essentiële rol in experiment ruimteonderzoek.We hopen dat het huidige werk een wetenschappelijke basis en technische ondersteuning kan bieden aan kijkers die geïnteresseerd zijn in het proberen van deze technieken.

Research

Education

JoVE Journal

JoVE Core

Physics

Engineering

Unit 1

Gravitation

SCIENTISTS IN ACTION

Fabrication of Uniform Nanoscale Cavities via Silicon Direct Wafer Bonding

Fabricage van uniforme nanoschaalholtes 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

Meting en analyse van atomair waterstof en Diatomic Moleculaire AlO, C<sub&gt; 2</sub&gt;, CN, en TiO Spectra Following Laser-induced Optische Breakdown

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 Protocollen voor de productie van Open Cell Aluminium schuimen door de Replicatie Techniek en het effect op de porositeit

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

Een Basic Positron Emissie Tomografie systeem gebouwd om een ​​radioactieve bron localiseren een bi-dimensionale ruimte

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

Experimenten op Ultrasoon smeren met behulp van een piëzo-elektrisch ondersteunde Tribometer en optische 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

Fabricageproces van siliconen gebaseerde diëlektrische Elastomer Actuators

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

Fabrication and Characterization of Superconducting Resonators

Fabricage en karakterisering van Supergeleidende Resonators

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 Synthese van Gold Nanodeeltjes zonder Aggregation in de tussenlaag ruimte van Layered Titanate Transparent 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

Studie van Siphon Breaker Experiment en simulatie voor een onderzoeksreactor

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

Voorspellende katalysator Extrudate breuk op basis van de absolute waarde van de breuk

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 ...