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

Есть много участников, которые внесли свой вклад в работу сообщили в этой работе, в том числе все члены нашей проектной группы, а также некоторые люди из астронавтов научно-исследовательский и учебный центр (ACC) и Neusoft.
Эта работа финансируется Программой стратегических приоритетных исследований в области космических наук, Китайской академией наук: Спутникs SJ-10 Recoverable Scientific Experiment (Грант No. XDA04020405 и XDA04020202-05), а также совместным фондом Национального фонда естественных наук Китая (U1738116).

1. Проектирование и подготовка экспериментальной системы
<ol><li>Постройте кольцеобразный жидкий бассейн.<ol>
<li>Постройте медный кольцевой жидкий бассейн размером Ri 4 мм внутреннего диаметра и Ro 20 мм в внешнем диаметре и d - 12 мм в высоту.</li>
		<li>Используйте полисул?...

<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>

Из-за ограниченности космических ресурсов объем оборудования в целом составляет всего 400 мм и 352 мм, а вес - всего 22,9 и 0,2 кг. Это очень неудобно при выборе и выкладке экспериментальных устройств, и создание системы потока становится критическим шагом. Таким образом, увеличивающееся измен...

В условиях микрогравитации в космосе из-за отсутствия гравитации представлено множество интересных физических явлений. В жидкости со свободной поверхностью существует новая система потока (т.е. термокапиллярный поток), которая вызвана градиентом температуры или градиентом концентрации. В отличие от традиционной конвекции на земле, термокапиллярная конвекция является вездесущим явлением в космической среде. Поскольку это очень важный исследовательский предмет в физике микрогравитации жидкости, ряд экспериментов были проведены в космосе, а также на земле. Недавно были проведены космические экспериментальные исследования термокапиллярной конвекции на извлекаемом научном экспериментальном спутнике SJ-10. Полезная нагрузка космического эксперимента состояла из восьми систем, а именно системы жидкого эксперимента, системы хранения и инъекций жидкости, системы контроля температуры, системы измерения термопары, инфракрасной тепловой камеры, датчиков перемещения, системы приобретения CCD-изображений и системы электрического управления, как показано на рисунке 1 (слева). Полезная нагрузка космического эксперимента для исследования поверхностных волн термокапиллярной конвекции показана на рисунке 1 (справа). В этом исследовании основное внимание уделялось нестабильности потока, явлений колебаний и переходов, которые являются важными характеристиками в процессе перехода от ламинарного потока к хаосу. Исследования по этим фундаментальным предметам имеют большое значение для исследований в отношении сильного нелинейного потока.
В отличие от плавучести квекции, обусловленной силой объема, термокапиллярная конвекция является явлением, вызванным поверхностным натяжением в интерфейсе между двумя неизведанными жидкостями. Величина поверхностного натяжения изменяется с некоторыми параметрами скалара, включая температуру, растворимую концентрацию и прочность электрического поля. Когда эти поля масштабирования распределяются неравномерно в интерфейсе, на свободной поверхности будет присутствовать градиент поверхностного натяжения. На свободной поверхности жидкость приводится в движение градиентом поверхностного натяжения, чтобы переместиться от места с меньшим поверхностным натяжением к тому, что с большим поверхностным натяжением. Этот поток был впервые интерпретирован итальянским физиком Карло Марангони. Таким образом, он был назван "эффект Марангони"1. Поток марангони на свободной поверхности распространяется на внутреннюю жидкость вязкостью и в результате генерирует так называемое конвекцию Марангони.
Строго говоря, для жидкостной системы со свободной поверхностью, термокапиллярная конвекция и конвекция плавучести всегда появляются одновременно под нормальной гравитацией. В целом, для макроскопической конвективной системы, термокапиллярная конвекция является незначительным эффектом и, как правило, игнорируется по сравнению с плавучестью конвекции. Однако, при условии мелкомасштабной конвективной системы или в условиях микрогравитации, конвекция плавучести будет значительно ослаблена, или даже исчезнет, и термокапиллярная конвекция станет доминирующей в системе потока. В течение длительного периода времени, исследования были сосредоточены на макро-масштабе плавучести convection из-за ограничений в человеческой деятельности и методов исследования2,3,4. Однако в последние десятилетия, с быстрым развитием современной науки и техники, таких как аэрокосмическая промышленность, кино, MEMS и нелинейная наука, необходимость дальнейших исследований термокапиллярной конвекции становится все более актуальной.
Исследования, касающиеся гидродинамики микрогравитации, имеют важное академическое значение и перспективы применения. Многие динамизм, физики химики, биологи и материалисты собрались для работы в этой области. Камотани и Ostrach завершили эксперименты на термокапиллярной конвекции в кольцеобразном жидком бассейне в условиях микрогравитации2,,5,,6,,7,,8 и наблюдали устойчивый поток, колесивой и критические условия. Schwabe et al. изучили плавуче-термокапиллярную конвекцию в аналогичном кольцевом жидком бассейне3,9 иобнаружили,что колеблющийся поток сначала появился как термокапиллярные волны, а затем превратился в более сложный поток с увеличением разницы температур. В 2002 году «Швабе» и «Бенц» и др. сообщили о группе экспериментов по термокапиллярной конвекции в кольцеобразном жидком бассейне, проведенных на российском спутнике FOTON-124,10. Их космические экспериментальные результаты соответствовали результатам наземных экспериментальных работ. Некоторые японские ученые провели три серии экспериментов на жидком мосту термокапиллярной конвекции, названный Marangoni Эксперимент в космосе (MEIS), на Международной космической станции11,12,13. В этих трех задачах было применено экспериментальное оборудование, включая камеру, тепловизионный прибор, датчики термопары, 3D-ПтВ и фотохромную технологию. Были определены критические условия термокапиллярной конвекции при различных соотношений сторон и наблюдались трехмерные (3D) структуры потока.
За последние 30 лет, микрогравитация наука претерпела плодовитое развитие в Китае14,15,16, и ряд микрогравитационных экспериментов были проведены в космосе17,18. В области физики жидкости первым экспериментом в области микрогравитации стало изучение двухслойной жидкости на извлекаемом спутнике SJ-5 в 1999 году, а структура потока была получена методом отслеживания частиц14. В 2004 году на СЗ-4 было проведено исследование по термокапиллярной миграции капли, и связь между скоростью миграции и критическим номером Маха (Ма) была получена15,,16. В 2005 году на JB-417было проведено экспериментальное исследование по многопузырьковой термокапиллярной миграции, и миграционные правила были получены по мере увеличения числа ма до 8000. Между тем, такие проблемы, как слияние пузырьков, также были изучены. В 2006 году было проведено исследование по передаче диффузионной массы на извлекаемом спутнике SJ-8, интерферометр Мах-Зендера был впервые применен в космическом эксперименте, наблюдался процесс передачи диффузионной массы, а коэффициент диффузии был оценен18.
В последние годы был проведен ряд наземных экспериментальных исследований, посвященных процессам колебаний и бифуркации в термокапиллярной конвекции, проанализирован паровой эффект плавучести и термокапиллярной силы. Экспериментальные результаты показывают, что эффект плавучести не может быть проигнорирован в наземных экспериментах, так как он играет доминирующую роль во многих случаях19,20,,21,22. В 2016 году были проведены два микрогравитационных эксперимента по исследованию термокапиллярной конвекции в жидком мосту на ТГ-2 и термокапиллярной конвекции в кольцевом жидком бассейне на извлекаемом спутнике SJ-1023,,24. В настоящем документе представлена экспериментальная полезная нагрузка термокапиллярной конвекции на SJ10 и результаты космического эксперимента. Эти методы будут полезны при изучении механизма термокапиллярных колебаний.
Для того, чтобы наблюдать конвективный переход шаблона, колебания температуры и жидко-свободной деформации поверхности, шесть термопар, инфракрасная тепловая камера и датчик смещения для количественной оценки частоты, амплитуды и других физических количеств колебаний были использованы. Благодаря исследованиям по колебаниям и переходу в термокапиллярной конвекции в космосе, механизм термокапиллярной конвекции в микрогравитационной среде, который обеспечивает научное руководство для роста материалов в космосе, может быть обнаружили и поняли. Кроме того, технологические прорывы в таких космических экспериментах, такие как методы обслуживания жидкой поверхности и инъекции жидкости без пузырьков, еще больше укрепят простоту и технический уровень микрогравитационных экспериментов в жидкости Физики.
В настоящем документе представлены разработка полезной нагрузки и космический эксперимент проекта термокапиллярной поверхностной волны, осуществляемый на научно-экспериментальном спутнике SJ-10. В качестве полезной нагрузки космического эксперимента эта термокапиллярная конвекционная система обладает мощной антивибрационной способностью предотвращать сильный шок, особенно в процессе запуска спутника. Для того, чтобы соответствовать требованиям дистанционной эксплуатации, процесс космического эксперимента контролируется автоматически, и космические экспериментальные данные могут быть переданы на станцию приема наземного сигнала космического аппарата, а затем в экспериментальные ученые Платформы.

<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

Термокапиллярная конвекция является важным исследовательским предметом в физике микрогравитации жидкости. Экспериментальное исследование поверхностных волн термокапиллярной конвекции в кольцеобразном жидком бассейне является одним из 19 научных экспериментальных проектов на извлекаемом спутнике SJ-10. Представлена конструкция для полезной нагрузки для космического экспериментального исследования на термокапиллярной конвекции, которая включает в себя экспериментальную модель, измерительную систему и систему управления. Предусмотрена специфика для построения экспериментальной модели кольцеобразного жидкого пула с переменными коэффициентами объема. Температура жидкости регистрируется шестью термопарами с высокой чувствительностью 0,05 градусов по Цельсию в разных точках. Распределение температуры на жидкой свободной поверхности фиксируется с помощью инфракрасной тепловой камеры. Деформация свободной поверхности обнаруживается датчиком смещения с высокой точностью 1 мкм. Экспериментальный процесс полностью автоматизирован. Исследование сосредоточено на термокапиллярных колебаниях явлений на жидкой поверхности и конвективных переходов шаблона через анализ экспериментальных данных и изображений. Это исследование будет полезно для понимания механизма термокапиллярной конвекции и будет предлагать дальнейшее понимание нелинейных характеристик, нестабильности потока и периодов бифуркации термокапиллярной конвекции.

Точное соотношение громкости было определено, и топография жидкой поверхности была реконструирована на основе изображений, полученных CCD. Критическое состояние нестабильности было определено, и характеристики колебаний были изучены на основе анализа на одноточечны...

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

В настоящей статье представлен протокол проектирования космической полезной нагрузки, космический эксперимент по термокапиллярной конвекции и анализ экспериментальных данных и изображений.

Термокапиллярный конвекционный космический эксперимент на восстанавливаемом спутнике SJ-10

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

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

Research

Education

JoVE Journal

JoVE Core

Physics

Engineering

Unit 1

Gravitation

SCIENTISTS IN ACTION

Fabrication of Uniform Nanoscale Cavities via Silicon Direct Wafer Bonding

Изготовление однородных наномасштабных полостей с помощью кремниевой прямой вафельной связи

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

Измерительные атомарного водорода и двухатомном молекулярной AlO, C<sub&gt; 2</sub&gt;, CN, и TiO Спектры следующих Лазерно-индуцированное Оптический пробой

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

Кастинг протоколы по производству открытого Сотовые алюминиевые Пены по репликации Техника и влияние на пористость

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

Базовый позитрон-эмиссионной томографии Построенный, чтобы найти радиоактивного источника в Би-мерном пространстве

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

Эксперименты по ультразвуковой смазки Использование пьезоэлектрически содействии Tribometer и оптических профилометром

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

Изготовление Процесс силиконовой основе диэлектрических эластомеров приводов

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

Fabrication and Characterization of Superconducting Resonators

Изготовление и характеристика сверхпроводящие резонаторы

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

В Ситу Синтез наночастиц золота без агрегации в прослойке пространстве Layered титаната прозрачные пленки

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

Исследование сифон выключатель эксперимента и моделирования для исследовательского реактора

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

Прогнозирования поломок Extrudate катализатора, основанный на модуль разрыва

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 ...