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 finns många deltagare som har bidragit till det arbete som rapporterats i denna uppsats, inklusive alla medlemmar i vårt projektteam, liksom vissa människor från Astronauts forsknings- och utbildningscenter (ACC) och Neusoft.
Detta arbete finansieras av strategic priority research program on Space Science, Chinese Academy of Sciences: SJ-10 Recoverable Scientific Experiment Satellite (Grant No. XDA04020405 och XDA04020202-05) och av den gemensamma fonden för National Natural Science Foundation of China (U1738116).

1. Utformning och beredning av det experimentella systemet
<ol><li>Konstruera ringformiga vätskepoolen.<ol>
<li>Bygg en kopparringningsvätskepool som mäter Ri = 4 mm i innerdiameter och Ro = 20 mm i ytterdiameter och d = 12 mm i höjd.</li>
		<li>Använd en polysulfonplatta som mäter RP = 20 mm i diameter som botten av vätskepoolen (se Materialtabell).</li>
		<li>Borra ett litet hål som mäter φ = 2 mm i diameter nära...

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

På grund av begränsningen av utrymmesresurserna är volymen på utrustningen som helhet endast 400 mm × 352 mm × 322 mm, med en vikt på endast 22,9 ± 0,2 kg. Detta är mycket obekvämt när man väljer och lägger ut experimentella enheter, och inrättandet av flödessystemet blir det kritiska steget. Därför är den ökande temperaturskillnaden inställd på två ändar av vätskepoolen så att vätskan kan generera en serie flödesfenomen. För att observera hela processen för konvektionen från stadig till sv?...

Under mikrogravitationsförhållanden i rymden presenteras många intressanta fysiska fenomen på grund av frånvaron av gravitation. I en vätska med en fri yta finns det ett nytt flödessystem (dvs. thermocapillary flöde) som orsakas av temperaturgradienten eller koncentrationsgradienten. Skiljer sig från traditionella konvektion på marken, termokapillär konvektion är ett allestädes närvarande fenomen i rymdmiljöer. Eftersom det är ett mycket viktigt forskningsämne inom mikrogravitationsvätskefysik har ett antal experiment utförts i rymden såväl som på marken. Nyligen utfördes rymdexperimentella studier på termokapillärkonvektion på Satelliten SJ-10 recoverable scientific experiment. Rymdexperimentetnyttolastbestod av åtta system, nämligen ett vätskeexperimentsystem, vätskelagrings- och insprutningssystem, temperaturkontrollsystem, termoelementmätningssystem, infraröd värmekamera, förskjutningssensorer, CCD-bildförvärvssystem och elektriskt styrsystem, som visas i figur 1 (vänster). Rymdexperimentets nyttolast för forskning om ytvågor av termopelkonvektion visas i figur 1 (höger). Denna studie fokuserade på instabilitet av flöde, svängning fenomen och övergångar, som är viktiga egenskaper i övergången processen från laminärflöde till kaos. Studier om dessa grundläggande ämnen har stor betydelse för forskningen kring starkt ickelinjärt flöde.
Till skillnad från flytkraft konvektion drivs av volym kraft, termokondenskonvektion är ett fenomen som orsakas av ytspänning inom gränssnittet mellan två oföränderliga vätskor. Ytspänningens storlek förändras med vissa skalärparametrar, inklusive temperatur, löst koncentration och elektrisk fältstyrka. När dessa skalärfält förfördelar ojämnt i gränssnittet, kommer det att finnas en ytspänningsgradient på den fria ytan. Vätskan på den fria ytan drivs av ytspänningsgradienten för att flytta från platsen med mindre ytspänning till den med större ytspänning. Detta flöde tolkades först av en italiensk fysiker, Carlo Marangoni. Därför hette det "Marangoni effekt"1. Marangoni flöde på den fria ytan sträcker sig till den inre vätskan genom viskositet och som ett resultat genererar vad som kallas Marangoni konvektion.
Strängt taget, för vätskesystemet med en fri yta, termopelkottion och flytverk konvektion alltid visas samtidigt under normal gravitation. I allmänhet, för ett makroskopiska konvektivt system, termokondensär en mindre effekt och ignoreras vanligtvis i jämförelse med flytkraft konvektion. Men under förutsättning att ett småskaligt konvektivsystem eller i mikrogravitationsmiljön, flytkraftkonvektion kommer att försvagas kraftigt, eller till och med försvinna, och termopillär konvektion kommer att bli dominerande i flödessystemet. Under lång tid har forskningen fokuserats på makroskala flytkonvektion på grund av begränsningarna i mänsklig verksamhet och forskningsmetoder2,3,4. Men under de senaste decennierna, med den snabba utvecklingen av modern vetenskap och teknik som flyg- och rymdindustrin, film, MEMS och ickelinjär vetenskap, har behovet av ytterligare forskning om termopelkonvektion blivit allt mer akut.
Studier om mikrogravitation hydrodynamik har viktig akademisk betydelse och applikationsutsikter. Många dynamicists, fysiska kemister, biologer och material forskare har samlats för att arbeta inom detta område. Kamotani och Ostrach avslutade experiment på thermocapillary konvektion i en ringformig flytande pool under mikrogravitation villkor2,5,6,7,8 och observerade stadigt flöde, oscillerande flöde, och kritiska förhållanden. Schwabe et al. studerade flytande-termopillär konvektion i en liknande ringformig flytande pool3,9 och fann att oscillatory flödet först verkade som thermocapillary vågor, och sedan vände sig till ett mer komplext flöde med ökningen av temperaturskillnaden. År 2002 rapporterade Schwabe och Benz et al. en grupp experiment på thermocapillary konvektion i en ringformig flytande pool som utförs på den ryska FOTON-12 satellit4,10. Deras rymdexperimentella resultat överensstämde med experimentella markresultat. Vissa japanska forskare genomfört tre serier av experiment på flytande bro termopillär konvektion, som heter Marangoni Experiment in Space (MEIS), på den internationella rymdstationen11,12,13. Vissa experimentell utrustning, inklusive kameran, termisk imager, termoelement sensorer, och 3D-PTV och fotochromic teknik, tillämpades i dessa tre uppgifter. De kritiska förhållandena för termopillär konvektion vid olika proportioner fastställdes, och tredimensionella (3D) flödesstrukturer observerades.
Under de senaste 30 åren har mikrogravitation vetenskap genomgått produktiv utveckling i Kina14,15,16, och ett antal mikrogravitation experiment har utförts i rymden17,18. Inom området flytande fysik var det första mikrogravitationsexperimentet studiet av tvåskiktsvätska på SJ-5-återvinningsbar satellit 1999, och flödesstrukturen erhölls genom partikelspårningsmetoden14. År 2004 genomfördes studien om thermocapillary migration av en droppe på SZ-4, och förhållandet mellan migration hastighet och kritiska Mach (Ma) nummer erhölls15,16. År 2005 genomfördes den experimentella studien om multibubblatermompillrering på JB-417, och migrationsreglerna erhölls eftersom Ma-numret ökades till 8 000. Samtidigt studerades också problem som bubbelsammanslagning. Under 2006 genomfördes studien om diffusionmassöverföring på den återvinningsbara satelliten SJ-8, Mach-Zehnder interferometern tillämpades först i rymdexperimentet, processen för diffusionsmassöverföring observerades och diffusionskoefficienten utvärderades18.
Under de senaste åren har en rad experimentella studier på svängning och bifurkationsprocesser i termokapillärkonvektion genomförts, och den kopplade effekten av flytkraft och termopillär kraft har analyserats. Experimentella resultat visar att flytkrafteffekten inte kan ignoreras i markexperiment, eftersom den spelar en dominerande roll i många fall19,20,21,22. Under 2016 genomfördes två mikrogravitationsexperiment för att undersöka termopillärkonvektion i vätskebron på TG-2 och termokapillärkonvektion i ringformiga vätskepoolen på SJ-10 återvinningsbar satellit23,24. Detta dokument introducerar den experimentella nyttolasten av termopillär konvektion på SJ10, och resultaten utrymme experiment. Dessa metoder kommer att vara till hjälp för att utforska mekanismen för thermocapillary svängning.
För att observera den konvektiva mönsterövergången, temperatursvängning och vätskefri ytdeformation, sex termoelement, en infraröd värmekamera och en förskjutningssensor för att kvantifiera frekvens, amplitud och andra fysiska mängder av svängningen användes. Genom undersökningar om svängning och övergång i termopelkonvektion i rymden kan mekanismen för termokapillärkonvektion i mikrogravitationsmiljön, som ger vetenskaplig vägledning för tillväxten av material i rymden, upptäcktoch förstådd. Dessutom kommer tekniska genombrott i sådana rymdexperiment, såsom tekniker för flytande ytunderhåll och vätskeinsprutning utan bubblor, att ytterligare förbättra enkelheten och den tekniska nivån av mikrogravitationsexperiment i vätska Fysik.
Detta dokument introducerar nyttolastutveckling och rymdexperiment av termokapilläry ytvåg projektet utförs på SJ-10 vetenskapliga experimentella satellit. Som ett utrymme experiment nyttolast, detta thermocapillary konvektionssystem har en stark anti-vibration förmåga att förhindra våldsamma chock, särskilt under satelliten lanseringen. För att uppfylla kraven för fjärrdrift styrs rymdexperimentprocessen automatiskt, och rymdexperimentella data kan överföras till rymdfarkostens marksignalmottagningsstation och sedan till forskarnas experimentella 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 konvektion är ett viktigt forskningsämne inom mikrogravitation sfluidfysik. Den experimentella studien om ytvågor av termopelkonvektion i en ringformig flytande pool är ett av de 19 vetenskapliga experimentella projekten på SJ-10 återvinningsbara satelliten. Presenteras är en design för en nyttolast för rymdexperimentell studie om termopillär konvektion som inkluderar experimentell modell, mätsystem och styrsystem. Närmare uppgifter för uppförande av en experimentell modell av en ringformig vätskepool med varierande volymförhållanden tillhandahålls. Vätsketemperaturen registreras av sex termoelement med en hög känslighet på 0,05 °C vid olika punkter. Temperaturfördelningarna på den vätskefria ytan fångas med hjälp av en infraröd värmekamera. Den fria ytdeformationen detekteras av en förskjutningssensor med en hög noggrannhet på 1 μm. Den experimentella processen är helt automatiserad. Forskningen fokuserar på termokapillärsvängningar på vätskefria yt- och konvektiva mönsterövergångar genom analyser av experimentella data och bilder. Denna forskning kommer att vara till hjälp för att förstå mekanismen för termopillär konvektion och kommer att erbjuda ytterligare insikter i de ickelinjära egenskaper, flöde instabilitet och bifurkation övergångar thermocapillary konvektion.

Det exakta volymförhållandet definierades och den flytande yttopografin rekonstruerades baserat på de bilder som togs av CCD. Det kritiska instabiliteten begicks och svängningsegenskaperna studerades genom analyser på enpunktstemperatursignaler och förskjutningsoscillande signaler. Flödesfältets struktur erhölls och övergången av flödesmönstret bestämdes genom ändringen av den infraröda bilden med tiden. Flödesegenskaperna, flödesmekanismen och bifurkationsövergången k...

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

Ett protokoll för rymdnyttolastdesignen, rymdexperimentet på termopillär konvektion och analyser av experimentella data och bilder presenteras i detta dokument.

Thermocapillary Konvektion Space Experiment på SJ-10 Återvinningsbar Satellit

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

Förstå effekterna av svängning och bifurkation i termokapillär konvektion är viktigt för studier av en stark olinjära flöde i rymden. På grund av begränsade utrymme resurser och villkor, den experimentella nyttolasten bör vara liten i storlek, lätt i vikt, och besitter anti-vibrationsförmåga. Genombrott inom rymdteknik, som att utföra underhåll av flytande yta och vätskeinjektionen utan bubblor, kan ytterligare öka den tekniska kapaciteten hos mikrogravitationsexperiment inom flytande fysik.Observera konvektion övergången, temperatur svängning, och ytan deformation av en vätska kräver användning av termoelement en infraröd värmekamera, och en förskjutning sensor. Demonstrera förfarandet kommer att Wang Jia, Wu Di, och Hu Liang, tekniker från mitt laboratorium. Börja med att konstruera en ringformig pool i koppar med en innerradie på fyra millimeter i diameter och en yttre radie på 20 millimeter i diameter och en höjd på 12 millimeter.Använd en 20-millimeters diameter polysulfonplatta som botten av vätskepoolen, och borra ett litet hål med två millimeters diameter sex millimeter från mitten av plattan som vätskeinsprutningshålet. Lägg till skarpa, 45-graders-vinkel hörn på den inre och yttre sidoväggar, och tillämpa anti-krypande vätska till de inre och yttre väggarna till en höjd större än 12 millimeter. Därefter väljer du en lämplig silikonolja med låg viskositet som arbetsvätska, och värm vätskan till 60 grader Celsius.För att släppa ut någon gas från oljan, applicera mindre än 150 pascals tryck i sex timmar, följt av dammsugning av vätskelagringssystemet tills trycket når strax under 200 pascal. Sedan, avlasta ventilen så att silikonoljan att fylla i den dammsugna cylindern utan gas. För att ställa in insprutningssystemet för arbetsvätskan väljer du en stegmotor för att driva insprutning och sug av vätska, och applicera en magnetventil för att styra på/från-strömbrytaren i insprutningssystemet.Använd en universell led för att ansluta stegmotorn till vätskecylindern, och använd ett rör med fyra millimeters ytterdiameter för att successivt ansluta vätskecylindern, magnetventilen och injektionshålet. För att upprätta mätsystemet, placera sex termoelement inuti vätskepoolen för att mäta temperaturerna på olika punkter, vilket illustreras i figuren. Placera en infraröd kamera direkt ovanför vätskeytan, och rotera linsen för att justera fokus och för att samla in temperaturfältsinformationen på den vätskefria ytan.Justera förskjutningssensorn för att mäta förskjutningen av en specifik intressepunkt på vätskeytan, och använd CCD-kameran för att fokusera på vätskeytan. Sedan, spela in bytet av den fria ytan. Börja experimentet genom att starta programmet för experimentkontroll och slå på strömbrytaren.För att utföra vätskeinjektionen, applicera 12 volt på magnetventilen för att öppna ventilen. Därefter slår du på motorknappen för att starta motorn i ett steg på 2,059 millimeter för att injicera 10, 305 milliliter silikonolja i vätskepoolen. När all olja har levererats, stäng av magnetventilens effekt för att stänga magnetventilen.För att utföra linjär uppvärmning, ställ in uppvärmningsmålstemperaturen till 50 grader Celsius, kylmåltemperaturen till 15 grader Celsius och uppvärmningshastigheten till 0,5 grader Celsius per minut. För datainsamling, ställ in samplingsfrekvensen för den infraröda imagern till 7,5 hertz, termoelementfrekvensen och förskjutningssensorn till 20 hertz, och CCD-frekvensen till 24 hertz. När alla parametrar har ställts in klickar du på knappen datainsamling system, och övervaka temperatur, förskjutning, och annan information av intresse i datorns programvara.I slutet av analysen, stäng av strömmen. Dessa experimentella modell och mätmetoder integrerades i denna nyttolast på SJ-10 satelliten. 23 mikrogravitation experiment på ytan våg termokapillär konvektion är klar.I dessa infraröda värmebilder av temperaturfördelningarna på en vätskefri yta i termokapillär konkonfektion kan man observera en mängd oscillatoriska flödesmönster, inklusive radiella svängningar och medsols- och moturs omkretsrotationer. I detta representativa experiment ökade temperaturerna inuti vätskan linjärt med temperaturskillnadsökningen, med temperaturfältet fluktuerande periodiskt när temperaturskillnaden översteg en viss tröskel, vilket indikerar att termokapillärkonvektionen utvecklades från ett stadigt tillstånd till ett oscillatoriskt tillstånd. Dessutom växte amplituden av den oscillerande temperaturen som flödet fältet utvecklats, vilket anges i denna spektrumanalys, visar att den kritiska svängningsfrekvensen var 0,064 hertz.Även om flytkraft konvektion av småskaliga marksystemet var försvagad, var flödet fortfarande en koppling av thermocapillary och flytkraft konvektioner, med olika resultat som observerats i rymden experiment resultat, jämfört resultat som erhållits i marken experiment. Genom att jämföra ett stort antal deformationsdata för den vätskefria ytan mätt med förskjutningsgivaren och temperaturdatan för den vätska som uppmätts av termoelementen, observerades också att ytdeformationen och temperaturfältet i vätskan började svänga samtidigt och med samma frekvens. Dessa två viktiga tekniker, underhåll av en vätska yta och injektion av vätskor utan bubbla bildas, spelar viktiga roller i experiment rymdforskning.Vi hoppas att det nuvarande arbetet kan ge en vetenskaplig grund och tekniskt stöd för tittare intresserade av att försöka dessa tekniker.

Research

Education

JoVE Journal

JoVE Core

Physics

Engineering

Unit 1

Gravitation

SCIENTISTS IN ACTION

Fabrication of Uniform Nanoscale Cavities via Silicon Direct Wafer Bonding

Tillverkning av enhetliga håligheter i nanoskala 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

Mätning och analys av atomärt väte och diatomära Molekylär AlO, C<sub&gt; 2</sub&gt;, CN, och TiO Spectra Följa laserinducerad Optisk uppdelning

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 Protokoll för produktion av Open Cell Aluminium Skum av replikering Teknik och Effekt på Porositet

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 grundläggande Positron Emission Tomography System Konstruerad man hittar en strålkälla i en Bi-dimensionell 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

Experiment på Ultraljud Smörjning med hjälp av en piezoelektriskt assisterad tribometer och 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

Tillverkningsprocessen av silikon-baserade dielektriska Elastomer ställdon

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

Fabrication and Characterization of Superconducting Resonators

Tillverkning och karakterisering av supraledande resonatorer

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

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

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

In Situ Syntes av guld nanopartiklar utan aggregering i mellanskiktet Space of Layered Titanate transparenta 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 med sifon Breaker Experiment och simuleringar för en forskningsreaktor

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

Att förutse katalysator Extrudate brott baserat på modulusen av brista

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 ...