تجربة فضائية الحمل الحراري الحراري الحراري على الساتل SJ-10 القابل للاسترداد
Summary
وترد في هذه الورقة بروتوكول لتصميم الحمولة الفضائية، والتجربة الفضائية المتعلقة بالحمل الحراري الحراري، وتحليلات للبيانات والصور التجريبية.
Abstract
الحمل الحراري الحراري هو موضوع بحثي مهم في فيزياء سوائل الجاذبية الصغرى. والدراسة التجريبية المتعلقة بالموجات السطحية من الحمل الحراري الحراري الحراري في بركة سائلة حلقية هي واحدة من المشاريع التجريبية العلمية الـ 19 على الساتل SJ-10 القابل للاسترداد. يقدم تصميم لحمولة لدراسة تجريبية فضائية حول الحمل الحراري الحراري الذي يتضمن النموذج التجريبي ونظام القياس ونظام التحكم. وترد تفاصيل بناء نموذج تجريبي لبركة سائلة حلقية ذات نسب حجم متغيرة. يتم تسجيل درجات حرارة السوائل من قبل ستة أزواج حرارية مع حساسية عالية من 0.05 درجة مئوية في نقاط مختلفة. يتم التقاط توزيعات درجة الحرارة على السطح الحر السائل عن طريق كاميرا حرارية تعمل بالأشعة تحت الحمراء. يتم الكشف عن تشوه السطح الحر بواسطة مستشعر إزاحة بدقة عالية تبلغ 1 ميكرومتر. العملية التجريبية مؤتمتة بالكامل. ويركز البحث على ظواهر التذبذب الحراري على السطح الخالي من السوائل وتحولات النمط الحراري من خلال تحليلات البيانات والصور التجريبية. هذا البحث سوف تكون مفيدة لفهم آلية الحراري الحراري الحراري الحمل الحراري وسوف تقدم المزيد من الأفكار في الخصائص غير الخطية، وعدم استقرار التدفق، والتحولات تشعب الحراري الحراري.
Introduction
وفي ظل ظروف الجاذبية الصغرى في الفضاء، تُعرض ظواهر فيزيائية مثيرة للاهتمام كثيرة بسبب غياب الجاذبية. في السائل ذو السطح الحر، يوجد نظام تدفق جديد (أي تدفق الركيزة الحرارية) الذي ينتج عن تدرج درجة الحرارة أو تدرج التركيز. والحمل الحراري الحراري، الذي يختلف عن الحمل الحراري التقليدي على الأرض، ظاهرة منتشرة في كل مكان في البيئات الفضائية. وبما أنه موضوع بحثي بالغ الأهمية في فيزياء سوائل الجاذبية الصغرى، فقد أُجري عدد من التجارب في الفضاء وكذلك على أرض الواقع. وفي الآونة الأخيرة، أُجريت دراسات تجريبية فضائية بشأن الحمل الحراري الحراري على ساتل التجارب العلمية SJ-10 القابل للاسترداد. وتألفت حمولة التجربة الفضائية من ثمانية نظم، هي نظام لتجربة السوائل، ونظام لتخزين السوائل وحقنها، ونظام للتحكم في درجة الحرارة، ونظام لقياس الفواصل الحرارية، وكاميرا حرارية تعمل بالأشعة تحت الحمراء، وأجهزة استشعار للإزاحة، ونظام احتياز صور CCD، ونظام التحكم الكهربائي، كما هو مبين في الشكل 1 (يسار). وتظهر حمولة التجربة الفضائية للبحوث المتعلقة بالموجات السطحية من الحمل الحراري الحراري في الشكل 1 (إلى اليمين). ركزت هذه الدراسة على عدم استقرار التدفق، وظواهر التذبذب، والتحولات، والتي هي خصائص هامة في عملية الانتقال من تدفق اللاصفإلى الفوضى. الدراسات حول هذه المواضيع الأساسية لها أهمية كبيرة للبحوث المتعلقة التدفق القوي غير الخطي.
على عكس الحمل الحراري للطفو الذي تحركه قوة الحجم ، فإن الحمل الحراري الحراري هو ظاهرة ناجمة عن التوتر السطحي داخل الواجهة بين سائلين غير قابلين للامتزاج. يتغير حجم التوتر السطحي مع بعض المعلمات العددية ، بما في ذلك درجة الحرارة ، وتركيز المذاب ، وقوة المجال الكهربائي. عندما يتم توزيع هذه الحقول العددية بشكل غير متساو ٍ في الواجهة، سيكون هناك تدرج توتر سطحي موجود على السطح الحر. ويحرك السائل على السطح الحر من قبل تدرج التوتر السطحي للانتقال من الموقع مع أقل التوتر السطحي إلى أن مع زيادة التوتر السطحي. وقد فسر هذا التدفق لأول مرة من قبل الفيزيائي الإيطالي، كارلو مارانغوني. ومن ثم، كان اسمه “تأثير Marangoni”1. تدفق Marangoni على السطح الحر يمتد إلى السائل الداخلي باللزوجة ونتيجة لذلك يولد ما يعرف باسم الحمل الحراري Marangoni.
بالمعنى الدقيق للكلمة ، لنظام السوائل مع سطح حر ، الحمل الحراري الحراري والحمل الحراري الطفو تظهر دائما في وقت واحد تحت الجاذبية العادية. بشكل عام ، لنظام الحمل الحراري العياني ، الحمل الحراري الحراري هو تأثير طفيف وعادة ما يتم تجاهله بالمقارنة مع الحمل الحراري للطفو. ومع ذلك، في ظل حالة نظام حمل حراري صغير النطاق أو في بيئة الجاذبية الصغرى، سيضعف الحمل الحراري للطفو إلى حد كبير، أو حتى يختفي، وسيصبح الحمل الحراري الحراري مهيمنا في نظام التدفق. لفترة طويلة من الزمن ، وقد ركزت البحوث على نطاق واسع الطفو الحمل الحراري بسبب القيود المفروضة على الأنشطة البشرية وأساليب البحث2،3،4. ومع ذلك ، في العقود الأخيرة ، مع التطور السريع للعلوم والتكنولوجيا الحديثة مثل الفضاء الجوي ، والأفلام ، وMEMS ، والعلوم غير الخطية ، أصبحت الحاجة إلى إجراء مزيد من البحوث حول الحمل الحراري الحراري ملحة بشكل متزايد.
وللدراسات المتعلقة بالديناميات الهيدرودينامية للجاذبية الصغرى أهمية أكاديمية هامة وآفاق تطبيقية. وقد اجتمع العديد من علماء الديناميات والكيميائيين الفيزيائيين وعلماء الأحياء والمواد للعمل في هذا المجال. أكمل كاموتاني وأوستراش التجارب على الحمل الحراري الحراري في بركة سائلة حلقية في ظروف الجاذبية الصغرى2،5،6،7،8 ولاحظ تدفق ثابت ، تدفق متذبذب ، والظروف الحرجة. درس شوابي وآخرون الحمل الحراري الحراري الطفو في بركة سائلة حلقية مماثلة3،9 ووجدوا أن التدفق المذبذب ظهر أولاً كموجات حرارية ، ثم تحول إلى تدفق أكثر تعقيدًا مع زيادة فرق درجة الحرارة. في عام 2002، أبلغت شوابي وبنز وآخرون عن مجموعة من التجارب على الحمل الحراري الحراري في بركة سائلة حلقية أجريت على القمر الصناعي الروسي FOTON-124،10. وكانت نتائجها التجريبية الفضائية متسقة مع النتائج التجريبية الأرضية. أجرى بعض العلماء اليابانيين ثلاث سلسلة من التجارب على الحمل الحراري للجسر السائل الحراري، المسمى تجربة مارانغوني في الفضاء (MEIS)، على محطة الفضاء الدولية11،12،13. وقد طُبقت في هذه المهام الثلاث بعض المعدات التجريبية، بما في ذلك الكاميرا، والصور الحرارية، وأجهزة الاستشعار الحرارية، وتكنولوجيا ثلاثية الأبعاد – PTV والضوئية. تم تحديد الظروف الحرجة للحمل الحراري الحراري في نسب العرض إلى الارتفاع المختلفة ، ولوحظت هياكل تدفق ثلاثية الأبعاد (3D).
على مدى السنوات ال 30 الماضية ، شهدت علوم الجاذبية الصغرى تطورا غزير الإنتاج في الصين14،15،16، وقد أجريت عددا من تجارب الجاذبية الصغرى في الفضاء17،18. وفي مجال فيزياء السوائل، كانت أول تجربة للجاذبية الصغرية هي دراسة سائل من طبقتين على الساتل SJ-5 القابل للاسترداد في عام 1999، وتم الحصول على هيكل التدفق بطريقة تتبع الجسيمات14. في عام 2004 ، أجريت الدراسة حول هجرة الركيزة الحرارية للقطرة على SZ-4 ، وتم الحصول على العلاقة بين سرعة الهجرة وعدد ماخ الحرج (Ma)15،16. في عام 2005، أجريت الدراسة التجريبية حول الهجرة الحرارية متعددة الفقاعة على JB-417، وتم الحصول على قواعد الهجرة حيث تم زيادة عدد Ma إلى 8000. وفي الوقت نفسه، تمت أيضا دراسة مشاكل مثل دمج الفقاعات. وفي عام 2006، أجريت الدراسة المتعلقة بنقل كتلة الانتشار على الساتل SJ-8 القابل للاسترداد، وطبق مقياس التداخل ماخ – زهندر لأول مرة في التجربة الفضائية، ولوحظت عملية نقل الكتلة للانتشار، وجرى تقييم معامل الانتشار18.
في السنوات الأخيرة، تم إجراء سلسلة من الدراسات التجريبية الأرضية التي تركز على عمليات التذبذب والتشعب في الحمل الحراري الحراري، وتم تحليل التأثير المقترن للطفو وقوة الحرارة. تظهر النتائج التجريبية أنه لا يمكن تجاهل تأثير الطفو في التجارب الأرضية ، لأنه يلعب دورًا مهيمنًا في كثير من الحالات19،20، 21،,2122. في عام 2016 ، أجريت تجربتان للجاذبية الصغرية للبحث عن الحمل الحراري الحراري في الجسر السائل على TG-2 ، والحمل الحراري الحراري في التجمع السائل الحلقي على القمر الصناعي SJ-10 القابل للاسترداد23،24. وتقدم هذه الورقة الحمولة التجريبية للحمل الحراري الحراري الحراري على SJ10، ونتائج التجربة الفضائية. هذه الأساليب سوف تكون مفيدة في استكشاف آلية التذبذب الحراري.
من أجل مراقبة انتقال النمط الحراري ، وتذبذب درجة الحرارة ، وتشوه السطح الخالي من السائل ، وستة أزواج حرارية ، وكاميرا حرارية تحت الحمراء ، ومستشعر إزاحة لتحديد التردد والسعة والكميات المادية الأخرى من التذبذب استعملت. من خلال التحقيقات المتعلقة بالتذبذب والانتقال في الحمل الحراري الحراري في الفضاء ، يمكن أن تكون آلية الحمل الحراري الحراري في بيئة الجاذبية الصغرى ، والتي توفر التوجيه العلمي لنمو المواد في الفضاء ، اكتشفت وفهم. وعلاوة على ذلك، فإن الاختراقات التكنولوجية في مثل هذه التجارب الفضائية، مثل تقنيات صيانة سطح السائل وحقن السوائل بدون فقاعات، ستزيد من تعزيز بساطة تجارب الجاذبية الصغرى ومستواها التقني في السوائل الفيزياء.
تقدم هذه الورقة تطوير الحمولة والتجربة الفضائية لمشروع الموجة السطحية الحرارية التي أجريت على الساتل العلمي التجريبي SJ-10. وباعتباره حمولة للتجربة الفضائية، فإن هذا النظام الحراري الحراري الحراري يتمتع بقدرة قوية مضادة للاهتزاز على منع الصدمات العنيفة، ولا سيما أثناء عملية إطلاق السواتل. من أجل تلبية متطلبات التشغيل عن بعد ، يتم التحكم في عملية التجربة الفضائية تلقائيًا ، ويمكن إرسال البيانات التجريبية الفضائية إلى محطة استقبال الإشارات الأرضية للمركبة الفضائية ثم إلى تجربة العلماء منصه.
Protocol
Representative Results
Discussion
ونظرا لمحدودية الموارد الفضائية، فإن حجم المعدات ككل لا يتجاوز 400 ملم × 352 ملم × 322 ملم، مع وزن 22.9 ± 0.2 كيلوغرام فقط. هذا غير مريح للغاية عند اختيار ووضع الأجهزة التجريبية ، وإنشاء نظام التدفق يصبح الخطوة الحاسمة. لذلك ، يتم تعيين الفرق في درجة الحرارة المتزايدة في طرفي التجمع السائل بحيث يمك?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
هناك العديد من المشاركين الذين ساهموا في العمل المذكور في هذه الورقة، بما في ذلك جميع أعضاء فريق المشروع لدينا، فضلا عن بعض الناس من مركز أبحاث وتدريب رواد الفضاء (ACC) وNeusoft.
ويمول هذا العمل برنامج البحوث ذات الأولوية الاستراتيجية بشأن علوم الفضاء، الأكاديمية الصينية للعلوم: ساتل التجارب العلمية القابل للاسترداد SJ-10 (المنحة رقم 10). XDA04020405 وXDA0402020202-05)، وعن طريق الصندوق المشترك للمؤسسة الوطنية للعلوم الطبيعية في الصين (U1738116).
Materials
| anti-creeping liquid | 3M | EGC-1700 | |
| CCD | WATTEC | WAT-230VIVID | |
| Displacement sensor | Panasonic | HL-C1 | |
| Heating film | HongYu | 125 Q/W335.1A | |
| Hydraulic cylinder | FESTO | ADVU-40-25-P-A | |
| Infrared camera | FLIR | Tau2 | |
| LED | 693 Institute | 10257MW7C | |
| Montor | PI | M-227 | |
| Montor controller | PI | C-863 | |
| Pipe, 4mm | FESTO | PUN-4X0,75-GE | |
| polysulfone plate | 507 Institute | ||
| Refrigeration chip | Zhongke | 9502/065/021M | |
| Silicon oil, 2cSt | Shin-Etsu | KF-96 | |
| Solenoid | FESTO | MFH-2-M5 | |
| Temperature controller | Eurotherm | 3304 | |
| Thermocouple, K-type | North University of China | ZBDX-HTTK |
References
- Scriven, L. E., Sternling, C. V. The Marangoni effect. Nature. 187, 186-188 (1960).
- Effects of heating mode on steady antisymmetric thermocapillary flows in microgravity. Heat Transfer in Microgravity Systems, Trans. American Society of Mechanical Engineers Available from: https://heattransfer.asmedigitalcollection.asme.org/ (1994)
- Benz, S., Schwabe, D. The three-dimensional stationary instability in dynamic thermocapillary shallow cavities. Experiments in Fluids. 31, 409-416 (2001).
- Schwabe, D. Buoyant-thermocapillary and pure thermocapillary convective instabilities in Czochralski systems. Journal of Crystal Growth. 237-239, 1849-1853 (2002).
- Kamotani, Y., Ostrach, S., Pline, A. Analysis of velocity data taken in surface tension drivenconvection experiment in microgravity. Physics of Fluids. 6, 3601-3609 (1994).
- Kamotani, Y., Ostrach, S., Pline, A. A thermocapillary convection experiment in microgravity. Journal of Heat Transfer. 117, 611-618 (1995).
- Kamotani, Y., Ostrach, S., Pline, A. Some temperature field results from the thermocapillary flow experiment aboard USML-2 spacelab. Advances in Space Research. 22, 1189-1195 (1998).
- Kamotani, Y., Ostrach, S., Masud, J. Microgravity experiments and analysis of oscillatory thermocapillary flows in cylindrical containers. Journal of Fluid Mechanics. 410, 211-233 (2000).
- Schwabe, D., Benz, S., Cramer, A. Experiment on the Multi-roll-structure of thermocapillary flow in side-heated thin liquid layers. Advances in Space Research. 24 (10), 1367-1373 (1999).
- Schwabe, D., Benz, S. Thermocapillary flow instabilities in an annulus under microgravity results of the experiment MAGIA. Advances in Space Research. 29, 629-638 (2002).
- Kawamura, H., et al. Report on Microgravity Experiments of Marangoni Convection Aboard International Space Station. Journal of Heat Transfer. 134 (3), 031005 (2012).
- Sato, F., et al. Hydrothermal Wave Instability in a High-Aspect-Ratio Liquid Bridge of Pr > 200. Microgravity Science and Technology. 25 (1), 43-58 (2013).
- Yano, T., et al. Instability and associated roll structure of Marangoni convection in high Prandtl number liquid bridge with large aspect ratio. Physics of Fluids. 27 (2), 024108 (2015).
- Yao, Y. L., Liu, Q. S., Zhang, P., Hu, L., Liu, F., Hu, W. R. Space Experiments on Thermocapillary Convection and Marangoni Convection in Two Immiscible Liquid Layers. Journal of the Japan Society of Microgravity Application. 15, 394-398 (1998).
- Zhang, P., et al. Space experimental device on Marangoni drop migrations of large Reynolds numbers. Science in China. 44 (6), 605-614 (2001).
- Xie, J. C., Lin, H., Zhang, P., Liu, F., Hu, W. R. Experimental investigation on thermocapillary drop migration at large Marangoni number in reduced gravity. Journal of Colloid and Interface Science. 285, 737-743 (2005).
- Kang, Q., Cui, H. L., Hu, L., Duan, L., Hu, W. R. Experimental Investigation on bubble coalescence under non-uniform temperature distribution in reduced gravity. Journal of Colloid and Interface Science. 310, 546-549 (2007).
- Duan, L., et al. The real-time March-Zehnder interferometer used in space experiment. Microgravity Science and Technology. 20, 91-98 (2008).
- Zhu, P., Zhou, B., Duan, L., Kang, Q. Characteristics of surface oscillation in thermocapillary convection. Experimental Thermal and Fluid Science. 35, 1444-1450 (2011).
- Zhu, P., Duan, L., Kang, Q. Transition to chaos in thermocapillary convection. International Journal of Heat and Mass Transfer. 57, 457-464 (2013).
- Kang, Q., Duan, L., Zhang, L., Yin, Y. L., Yang, J. S., Hu, W. R. Thermocapillary convection experiment facility of an open cylindrical annuli for SJ-10 satellite. Microgravity Science and Technology. 28, 123-132 (2016).
- Wang, J., Wu, D., Duan, L., Kang, Q. Ground Experiment on the Instability of Buoyant-thermocapillary Convection in Large Scale Liquid Bridge with Large Prandtl Number. International Journal of Heat and Mass Transfer. 108, 2107-2119 (2017).
- Kang, Q., Jiang, H., Duan, L., Zhang, C., Hu, W. R. The Critical Condition and Oscillation – Transition Characteristics of Thermocapillary Convection in the Space Experiment on SJ-10 Satellite. International Journal of Heat and Mass Transfer. 135, 479-490 (2019).
- Kang, Q., et al. The volume ratio effect on flow patterns and transition processes of thermocapillary convection. Journal of Fluid Mechanics. 868 (108), 560-583 (2019).
