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

Det er mange deltakere som har bidratt til arbeidet rapportert i denne artikkelen, inkludert alle medlemmene av vårt prosjektteam, samt noen mennesker fra Astronauts forsknings- og treningssenter (ACC) og Neusoft.
Dette arbeidet er finansiert av Strategic Priority Research Program on Space Science, Chinese Academy of Sciences: SJ-10 Recoverable Scientific Experiment Satellite (Grant No. XDA04020405 og XDA04020202-05), og ved felles fond av National Natural Science Foundation of China (U1738116).

1. Design og utarbeidelse av det eksperimentelle systemet
<ol><li>Konstruer det ringformede væskebassenget.<ol>
<li>Bygg et kobberringformet flytende basseng som måler Ri = 4 mm i indre diameter og Ro = 20 mm i ytre diameter og d = 12 mm i høyden.</li>
		<li>Bruk en polysulfonplate som måler RP = 20 mm i diameter som bunnen av det flytende bassenget (se Materialtabellen).</li>
		<li>Bor et lite hull som måler φ = 2 mm i...

<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 grunn av begrensningen av plassressurser, volumet av utstyret som helhet er bare 400 mm × 352 mm × 322 mm, med en vekt på bare 22,9 ± 0,2 kg. Dette er veldig ubeleilig når du velger og legger ut eksperimentelle enheter, og etableringen av strømningssystemet blir det kritiske trinnet. Derfor er den økende temperaturforskjellen satt i to ender av væskebassenget slik at væsken kan generere en rekke strømningsfenomener. For å observere hele prosessen med konveksjonen fra jevn til oscillasjon i et enkelt eksper...

Under mikrogravitasjonsforhold i rommet presenteres mange interessante fysiske fenomener på grunn av fravær av tyngdekraften. I en væske med fri overflate finnes det et nytt strømningssystem (dvs. termokapillær strømning) som skyldes temperaturgradienten eller konsentrasjonsgradienten. Forskjellig fra tradisjonell konveksjon på bakken, er termokapillær konveksjon et allestedsnærværende fenomen i rommiljøer. Som det er et svært viktig forskningsemne i mikrogravitasjonsvæskefysikk, har en rekke eksperimenter blitt utført i rommet så vel som på bakken. Nylig ble romeksperimentelle studier utført på termokapillær konveksjon på SJ-10 utvinnbare vitenskapelige eksperimentsatellitt. Romeksperimentets nyttelast besto av åtte systemer, nemlig et væskeeksperimentsystem, væskelagring og injeksjonssystem, temperaturkontrollsystem, termoelementmålingssystem, infrarødt termisk kamera, forskyvningssensorer, CCD-bildeinnsamlingssystem og elektrisk kontrollsystem, som vist i figur 1 (venstre). Plass eksperiment nyttelast for forskning på overflatebølger av termokapillær konveksjon er vist i figur 1 (høyre). Denne studien fokuserte på ustabilitet av flyt, svingningsfenomener og overganger, som er viktige egenskaper i overgangsprosessen fra lamiatflyt til kaos. Studier på disse grunnleggende fagene har stor betydning for forskning om sterk ikke-lineær flyt.
I motsetning til oppdrift konveksjon drevet av volumkraft, er termokapillær konveksjon et fenomen forårsaket av overflatespenning i grensesnittet mellom to ublandbare væsker. Størrelsen på overflatespenningen endres med noen skalarparametere, inkludert temperatur, solute konsentrasjon og elektrisk feltstyrke. Når disse skalarfeltene fordeles ujevnt i grensesnittet, vil det være en overflatespenningsgradient tilstede på den frie overflaten. Væsken på den frie overflaten drives av overflatespenningsgradienten for å bevege seg fra stedet med mindre overflatespenning til det med større overflatespenning. Denne strømmen ble først tolket av en italiensk fysiker, Carlo Marangoni. Derfor ble det kalt "Marangoni effekt"1. Marangoni-strømmen på den frie overflaten strekker seg til den indre væsken med viskositet, og som et resultat genererer det som kalles Marangoni konveksjon.
Strengt tatt, for væskesystemet med en fri overflate, vises termokapillær konveksjon og oppdrift konveksjon alltid samtidig under normal tyngdekraft. Generelt, for et makroskopisk konvektivt system, er termokapillær konveksjon en mindre effekt og ignoreres vanligvis sammenlignet med oppdrift konveksjon. Men under forutsetning av et lite konvektivt system eller i mikrogravitasjonsmiljøet vil oppdriftskonveksjon bli sterkt svekket, eller til og med forsvinne, og termokapillær konveksjon vil bli dominerende i strømningssystemet. I lang tid har forskningen vært fokusert på makroskala oppdrift på grunn av begrensningene i menneskelige aktiviteter og forskningsmetoder2,3,4. Men i de siste tiårene, med den raske utviklingen av moderne vitenskap og teknologi som luftfart, film, MEMS og ikke-lineær vitenskap, har behovet for videre forskning på termokapillær konveksjon blitt stadig mer presserende.
Studier om mikrogravitasjonshydrodynamikk har viktig faglig betydning og søknadsutsikter. Mange dynamicists, fysiske kjemikere, biologer og materialer forskere har samlet seg for å jobbe på dette feltet. Kamotani og Ostrach fullførte eksperimenter på termokapillær konveksjon i et ringformet væskebasseng under mikrogravitasjonsforhold2,,5,,6,,7,,8 og observert jevn strømning, oscillerende strømning og kritiske forhold. Schwabe et al. studerte spenstig termokapillær konveksjon i et lignende ringformet flytende basseng3,9 og fant at den oscillerende strømmen først dukket opp som termokapillære bølger, og deretter slått til en mer kompleks strøm med økningen i temperaturforskjell. I 2002 rapporterte Schwabe og Benz et al. en gruppe eksperimenter på termokaspillær konveksjon i et ringformet flytende basseng utført på den russiske FOTON-12 satellitt4,10. Deres plass eksperimentelle resultater var i samsvar med bakken eksperimentelle resultater. Noen japanske forskere utførte tre rekke eksperimenter på flytende bro termokapillær konveksjon, kalt Marangoni Experiment in Space (MEIS), på den internasjonale romstasjonen11,12,13. Noe eksperimentelt utstyr, inkludert kameraet, termisk imager, termoelementsensorer og 3D-PTV og fotochromic teknologi, ble brukt i disse tre oppgavene. De kritiske forholdene til termokapillær konveksjon ved forskjellige sideforhold ble bestemt, og tredimensjonale (3D) strømningsstrukturer ble observert.
I løpet av de siste 30 årene har mikrogravitasjonsvitenskap gjennomgått produktiv utvikling i Kina14,15,16, og en rekke mikrogravitasjonseksperimenter har blitt utført i rom17,18. Innen flytende fysikk var det første mikrogravitasjonseksperimentet studiet av tolagsvæske på SJ-5 gjenvinnbar satellitt i 1999, og strømningsstrukturen ble oppnådd ved partikkelsporingsmetoden14. I 2004 ble studien om termokapillær migrasjon av en dråpe utført på SZ-4, og forholdet mellom migrasjonshastighet og kritisk Mach (Ma) nummer ble oppnådd15,16. I 2005 ble den eksperimentelle studien om multi-boble termokapillær migrasjon utført på JB-417, og migrasjonsreglene ble innhentet da Ma-nummeret ble økt til 8000. I mellomtiden ble også problemer som boblesammenslåing studert. I 2006 ble studien om diffusjonsmasseoverføring utført på SJ-8 utvinnbar satellitt, Mach-Zehnder interferometer ble først brukt i romeksperimentet, prosessen med diffusjonmasseoverføring ble observert, og diffusjonskoeffisienten ble evaluert18.
I de senere årene har en rekke eksperimentelle studier på bakken fokusert på svingningog bifurcation prosesser i termokapillær konveksjon blitt utført, og den kombinerte effekten av oppdrift og termokaspillær kraft har blitt analysert. Eksperimentelle resultater viser at oppdrift effekten ikke kan ignoreres i bakken eksperimenter, som det spiller en dominerende rolle i mange tilfeller19,20,21,22. I 2016 ble det utført to mikrogravitasjonseksperimenter for å forske på termokapillær konveksjon i væskebroen på TG-2, og termokapillær konveksjon i det ringformede væskebassenget på SJ-10 utvinnbar satellitt23,24. Den nåværende artikkelen introduserer eksperimentell nyttelast av termokapillær konveksjon på SJ10, og plass eksperiment resultater. Disse metodene vil være nyttige for å utforske mekanismen for termokapillær oscillasjon.
For å observere den konvektive mønsterovergangen, temperatursvingningen og væskefri overflatedeformasjon, seks termoelementer, et infrarødt termisk kamera og en forskyvningssensor for å kvantifisere frekvensen, amplituden og andre fysiske mengder oscillasjonen ble brukt. Gjennom undersøkelser om oscillasjon og overgang i termokapillær konveksjon i rommet, kan mekanismen for termokapillær konveksjon i mikrogravitasjonsmiljøet, som gir vitenskapelig veiledning for vekst av materialer i rommet, oppdaget og forstått. Videre vil teknologiske gjennombrudd i slike romeksperimenter, som teknikker for flytende overflatevedlikehold og væskeinjeksjon uten bobler, ytterligere forbedre enkelheten og det tekniske nivået av mikrogravitasjonseksperimenter i væske Fysikk.
Dette papiret introduserer nyttelastutvikling og romeksperiment av termokapillær overflatebølgeprosjektet utført på SJ-10 vitenskapelig eksperimentell satellitt. Som et romeksperiment nyttelast, denne termokapillær konveksjon system har en sterk anti-vibrasjon evne til å hindre voldelig sjokk, spesielt under satellittlanseringsprosessen. For å møte kravene til fjerndrift, styres romeksperimentprosessen automatisk, og plasseksperimentelle data kan overføres til Ground Signal Receiving Station of the Spacecraft og deretter til forskernes eksperimentelle Plattform.

<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 konveksjon er et viktig forskningsemne i mikrogravitasjonsvæskefysikk. Den eksperimentelle studien på overflatebølger av termokapillær konveksjon i et ringformet flytende basseng er et av de 19 vitenskapelige eksperimentelle prosjektene på SJ-10 utvinnbar satellitt. Presentert er et design for en nyttelast for plass eksperimentell studie på termokapillær konveksjon som inkluderer eksperimentell modell, målesystem, og kontrollsystem. Detaljene for bygging av en eksperimentell modell av et ringformet flytende basseng med variable volumforhold er gitt. Væsketemperaturene registreres av seks termoelementer med høy følsomhet på 0,05 °C på forskjellige punkter. Temperaturfordelingene på den væskefrie overflaten fanges ved hjelp av et infrarødt termisk kamera. Den frie overflatedeformasjonen oppdages av en forskyvningssensor med høy nøyaktighet på 1 μm. Den eksperimentelle prosessen er helautomatisk. Forskningen er fokusert på termokapillære svingningsfenomener på den væskefrie overflaten og konvektive mønsteroverganger gjennom analyser av eksperimentelle data og bilder. Denne forskningen vil være nyttig for å forstå mekanismen for termokapillær konveksjon og vil gi ytterligere innsikt i de ikke-lineære egenskapene, flyt ustabilitet, og bifurcation overganger av termokapillær konveksjon.

Det nøyaktige volumforholdet ble definert, og den flytende overflatetopografien ble rekonstruert basert på bildene tatt av CCD. Den kritiske ustabilitetstilstanden ble bestemt, og svingningsegenskapene ble studert gjennom analyser på enkeltpunkttemperatursignaler og forskyvningssvingninger. Strukturen i strømningsfeltet ble oppnådd, og overgangen av strømningsmønsteret ble bestemt gjennom endringen av det infrarøde bildet med tiden. Strømningsegenskapene, strømningsmekanismen og...

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 protokoll for plass nyttelast design, plass eksperiment på termokapillær konveksjon, og analyser av eksperimentelle data og bilder er presentert i denne artikkelen.

Thermocapillary Convection Space Experiment på SJ-10 Gjenopprettelig Satellitt

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

Å forstå effekten av oscillasjon og bifurcation i termokapillær konveksjon er viktig for studiet av en sterk ikke-lineær flyt i rommet. På grunn av begrensede romressurser og forhold, bør den eksperimentelle nyttelasten være liten i størrelse, lett i vekt og ha antivibrasjonsevner. Gjennombrudd i romteknologi, som å utføre vedlikehold av flytende overflate og væskeinjeksjonen uten bobler, kan ytterligere forbedre den tekniske kapasiteten til mikrogravitasjonseksperimenter i væskefysikk.Å observere konveksjonsovergangen, temperatursvingninger og overflatedeformasjon av en væske krever bruk av termoelement et infrarødt termisk kamera og en forskyvningssensor. Å demonstrere prosedyren vil være Wang Jia, Wu Di og Hu Liang, teknikere fra laboratoriet mitt. Begynn med å konstruere et kobber ringformet flytende basseng med en indre radius på fire millimeter i diameter og en ytre radius på 20 millimeter i diameter og en høyde på 12 millimeter.Bruk en 20 millimeter diameter polysulfonplate som bunnen av det flytende bassenget, og bor et lite hull med to millimeter diameter seks millimeter unna midten av platen som væskeinjeksjonshull. Tilsett skarpe, 45-graders vinkelhjørner på de indre og ytre sideveggene, og påfør antikrypende væske på de indre og ytre veggene i en høyde som er større enn 12 millimeter. Deretter velger du en passende silikonolje med lav viskositet som arbeidsvæske, og varmes opp væsken til 60 grader Celsius.For å slippe ut gass fra oljen, bruk mindre enn 150 trykk pascals i seks timer, etterfulgt av støvsuging av væskelagringssystemet til trykket når like under 200 pascals. Deretter avlast deretter ventilen slik at silikonoljen kan fylle ut den støvsugede sylinderen uten gass. Hvis du vil sette opp injeksjonssystemet for arbeidsvæsken, velger du en trinnmotor for å drive injeksjon og suging av væske, og påfør en magnetventil for å styre av/på-bryteren på injeksjonssystemet.Bruk en universell skjøte til å koble trinnmotoren til væskesylinderen, og bruk et fire millimeter ytre diameterrør for å koble væskesylinderen, magnetventilen og injeksjonshullet. For å etablere målesystemet, plasser seks termoelementer inne i det flytende bassenget for å måle temperaturene på forskjellige punkter, som illustrert i figuren. Plasser et infrarødt kamera rett over væskeoverflaten, og roter objektivet for å justere fokuset og samle inn temperaturfeltinformasjonen på den væskefrie overflaten.Juster forskyvningssensoren for å måle forskyvningen av et bestemt interessepunkt på væskeoverflaten, og bruk CCD-kameraet til å fokusere på væskeoverflaten. Deretter registrerer du endringen av den frie overflaten. Start eksperimentkontrollprogramvaren for å starte eksperimentet, og slå på av/på-knappen.For å utføre væskeinjeksjonen, påfør 12 volt på magnetventilen for å åpne ventilen. Deretter slår du på motorknappen for å starte motoren i et trinn på 2.059 millimeter for å injisere 10, 305 milliliter silikonolje i det flytende bassenget. Når all oljen er levert, slå av magnetventilen for å lukke magnetventilen.For å utføre lineær oppvarming, sett varmemåltemperaturen til 50 grader Celsius, kjølemåltemperaturen til 15 grader Celsius, og varmehastigheten til 0,5 grader Celsius per minutt. For datainnsamling setter du samplingsfrekvensen til den infrarøde bildeenheten til 7,5 hertz, termoelementfrekvensen og forskyvningssensoren til 20 hertz, og CCD-frekvensen til 24 hertz. Når alle parameterne er angitt, klikker du på datainnsamlingssystemknappen og overvåker temperatur, forskyvning og annen informasjon av interesse for dataprogramvaren.På slutten av analysen, slå av strømmen. Disse eksperimentelle modell- og målemetodene ble integrert i denne nyttelasten på SJ-10-satellitten. 23 mikrogravitasjonseksperimenter på overflatebølge termokapillær konveksjon er ferdig.I disse infrarøde termiske bildene av temperaturfordelingene på en væskefri overflate i termokapillær konveksjon, kan en rekke svingningsmønstre observeres, inkludert radiale svingninger og med klokken og mot klokken omkretsrotasjoner. I dette representative eksperimentet økte temperaturene inne i væsken lineært med temperaturforskjellen øker, med temperaturfeltet varierende med jevne mellomrom når temperaturforskjellen overgikk en viss terskel, noe som indikerer at termokapillær konveksjon utviklet seg fra en jevn tilstand til en svingbar tilstand. I tillegg vokste amplituden til svingningstemperaturen etter hvert som strømningsfeltet utviklet seg, som angitt i denne spektrumanalysen, som viser at den kritiske svingningsfrekvensen var 0,064 hertz.Selv om oppdriftkonveksjonen av det lille bakkesystemet ble svekket, var strømmen fortsatt en kobling av termokapillær og oppdrift konveksjoner, med forskjellige resultater observert i romeksperimentresultater, sammenlignet resultater oppnådd i bakkeeksperimenter. Ved å sammenligne et stort antall deformasjonsdata for den væskefrie overflaten målt ved forskyvningssensoren og temperaturdataene til væsken målt ved termoelementene, ble det også observert at overflatedeformasjonen og temperaturfeltet i væsken begynte å svinge samtidig og med samme frekvens. Disse to viktige teknologiene, vedlikehold av en væskeoverflate og injeksjon av væsker uten bobledannelse, spiller viktige roller i eksperimentromforskning.Vi håper at dagens arbeid kan gi et vitenskapelig grunnlag og teknisk støtte for seere som er interessert i å forsøke disse teknikkene.

Research

Education

JoVE Journal

JoVE Core

Physics

Engineering

Unit 1

Gravitation

SCIENTISTS IN ACTION

Fabrication of Uniform Nanoscale Cavities via Silicon Direct Wafer Bonding

Fabrikasjon av ensartede nanoskala hulrom via silisium direkte wafer binding

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 av Atomic Hydrogen og diatomic Molecular AlO, C<sub&gt; 2</sub&gt;, CN, og TiO Spectra Following Laser-indusert Optisk 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 Protokoller for produksjon av Open Cell Aluminum Skum av Replication Teknikk og Effekt 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 grunnleggende Positron Emission Tomography System Konstruert Finn en radioaktiv kilde i et Bi-dimensjonale Space

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

Eksperimenter på Ultralyd Smøring Ved hjelp av en piezoelektrisk assistert Tribometer 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

Fabrikasjon Process av silikon-baserte Transformator 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

Fabrikasjon og karakterisering av 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

I Situ Syntese av gull nanopartikler uten Aggregation i folien Space of Layered titanate transparente filmer

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 av Hevert Breaker eksperiment og simulering for forskning reaktoren

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

Forutsi Catalyst Extrudate brudd basert på Modulus av brudd

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 ...