Thermokapillarkonvektionsraumexperiment auf dem SJ-10 Recoverable Satellite

Unter Deraschwereim Raum werden aufgrund der fehlenden Schwerkraft viele interessante physikalische Phänomene dargestellt. In einer Flüssigkeit mit freier Oberfläche gibt es ein neues Strömungssystem (d.h. thermokapillaren Fluss), das durch den Temperaturgradienten oder Konzentrationsgradienten verursacht wird. Anders als die traditionelle Konvektion am Boden ist die thermokapillare Konvektion ein allgegenwärtiges Phänomen in Weltraumumgebungen. Da es sich um ein sehr wichtiges Forschungsthema in der Mikrogravitations-Flüssigkeitsphysik handelt, wurden eine Reihe von Experimenten im Weltraum und am Boden durchgeführt. Kürzlich wurden experimentelle Weltraumstudien zur thermokapillaren Konvektion auf dem sJ-10-reproduzierbaren wissenschaftlichen Experimentiersatelliten durchgeführt. Die Nutzlast des Weltraumexperiments bestand aus acht Systemen, nämlich einem Flüssigkeitsexperiment, Flüssigkeitsspeicher und Injektionssystem, Temperaturregelungssystem, Thermoelement-Messsystem, Infrarot-Wärmebildkamera, Verdrängungssensoren, CCD-Bildaufnahmesystem und elektrischer Steuerung, wie in Abbildung 1 (links) dargestellt. Die Nutzlast des Weltraumexperiments für die Erforschung von Oberflächenwellen der thermokapillaren Konvektion ist in Abbildung 1 (rechts) dargestellt. Diese Studie konzentrierte sich auf die Instabilität von Strömung, Schwingungsphänomenen und Übergängen, die wichtige Merkmale im Übergangsprozess vom laminaren Fluss zum Chaos sind. Studien zu diesen grundlegenden Themen haben eine große Bedeutung für die Forschung über starke nichtlineare Strömung.

Im Gegensatz zur Auftriebskonvektion, die durch Volumenkraft angetrieben wird, ist die thermokapillare Konvektion ein Phänomen, das durch Oberflächenspannung innerhalb der Schnittstelle zwischen zwei nicht mischbaren Flüssigkeiten verursacht wird. Die Größe der Oberflächenspannung ändert sich mit einigen skalaren Parametern, einschließlich Temperatur, gelöster Konzentration und elektrischer Feldstärke. Wenn sich diese Skalarfelder ungleichmäßig in der Schnittstelle verteilen, ist auf der freien Oberfläche ein Oberflächenspannungsgradient vorhanden. Die Flüssigkeit auf der freien Oberfläche wird durch den Oberflächenspannungsgradienten angetrieben, um sich von der Position mit geringerer Oberflächenspannung zu der Position mit größerer Oberflächenspannung zu bewegen. Dieser Fluss wurde zuerst von einem italienischen Physiker, Carlo Marangoni, interpretiert. Daher wurde es der “Marangoni-Effekt”¹genannt. Marangoni-Fluss auf der freien Oberfläche erstreckt sich auf die innere Flüssigkeit durch Viskosität und als Ergebnis erzeugt, was als Marangoni Konvektion bekannt ist.

Streng genommen erscheinen für das Fluidsystem mit freier Oberfläche thermokapillare Konvektion und Auftriebskonvektion immer gleichzeitig unter normaler Schwerkraft. Im Allgemeinen ist die thermokapillare Konvektion bei einem makroskopischen konvektiven System eine geringfügige Wirkung und wird in der Regel im Vergleich zur Auftriebskonvektion ignoriert. Unter der Bedingung eines kleinen konvektiven Systems oder in der Umgebung der Schwerelosigkeit wird die Auftriebskonvektion jedoch stark geschwächt oder sogar verschwinden, und die thermokapillare Konvektion wird im Strömungssystem dominant werden. Seit langem konzentriert sich die Forschung auf die makroskalige Auftriebskonvektion aufgrund der Einschränkungen menschlicher Aktivitäten und Forschungsmethoden^2,3,4. In den letzten Jahrzehnten, mit der rasanten Entwicklung moderner Wissenschaft und Technologie wie Luft- und Raumfahrt, Film, MEMS und nichtlinearer Wissenschaft, ist die Notwendigkeit weiterer Forschung entoronischer Konvektion immer dringlicher geworden.

Studien zur Mikrogravitationshydrodynamik haben eine wichtige akademische Bedeutung und Anwendungsperspektiven. Viele Dynamiker, Physikchemiker, Biologen und Materialwissenschaftler haben sich versammelt, um auf diesem Gebiet zu arbeiten. Kamotani und Ostrach schlossen Experimente zur thermokapillaren Konvektion in einem ringförmigen Flüssigkeitspool unter Mikrogravitationsbedingungen^2,5,6,7,8 und beobachteten stetigen Fluss, Oszillatorfluss und kritische Bedingungen. Schwabe et al. untersuchten die lebhafte-thermokapillare Konvektion in einem ähnlichen ringförmigen Flüssigkeitspool^3,9 und fanden heraus, dass der oszillierende Fluss zuerst als thermokapillare Wellen erschien und sich dann zu einem komplexeren Fluss mit dem Anstieg der Temperaturdifferenz wandte. Im Jahr 2002 berichteten Schwabe und Benz et al. über eine Gruppe von Experimenten zur thermokapillaren Konvektion in einem ringförmigen Flüssigkeitspool, die auf dem russischen FOTON-12-Satelliten^4,10durchgeführt wurden. Ihre Weltraumexperimente stimmten mit den bodenexperimentellen Ergebnissen überein. Einige japanische Wissenschaftler führten drei Versuchsreihen zur thermokapillaren Konvektion von Flüssigkeitsbrücken, genannt Marangoni-Experiment im Weltraum (MEIS), auf der Internationalen Raumstation^11,12,13durch. Einige experimentelle Geräte, einschließlich der Kamera, Wärmebildkamera, Thermoelementsensoren und 3D-PTV und photochrome Technologie, wurden in diesen drei Aufgaben eingesetzt. Die kritischen Bedingungen der thermokapillaren Konvektion bei unterschiedlichen Seitenverhältnissen wurden bestimmt und dreidimensionale (3D) Strömungsstrukturen beobachtet.

In den letzten 30 Jahren hat sich die Mikrogravitationswissenschaft in China einer fruchtbaren Entwicklung unterzogen^14,15,16, und eine Reihe von Mikrogravitationsexperimenten wurden im Weltraum^17,18durchgeführt. Im Bereich der Fluidphysik war das erste Mikrogravitationsexperiment die Untersuchung von zweischichtigem Fluid auf dem sJ-5-reproduzierbaren Satelliten im Jahr 1999, und die Strömungsstruktur wurde durch die Partikelverfolgungsmethode¹⁴erhalten. Im Jahr 2004 wurde die Studie über die thermokapillare Migration eines Tröpfchens an der SZ-4 durchgeführt, und die Beziehung zwischen Migrationsgeschwindigkeit und kritischer Mach (Ma)-Zahl wurde^15,16erhalten. Im Jahr 2005 wurde die experimentelle Studie zur Multibubble-Thermokapillarmigration an der JB-4¹⁷durchgeführt, und die Migrationsregeln wurden ermittelt, da die Ma-Zahl auf 8.000 erhöht wurde. In der Zwischenzeit wurden auch Probleme wie die Blasenverschmelzung untersucht. Im Jahr 2006 wurde die Studie über den Diffusionsmassentransfer auf dem sJ-8-reseduzierbaren Satelliten durchgeführt, das Mach-Zehnder Interferometer wurde erstmals im Weltraumexperiment eingesetzt, der Prozess der Diffusionsmassenübertragung wurde beobachtet und der Diffusionskoeffizient wurde¹⁸ausgewertet.

In den letzten Jahren wurden eine Reihe von experimentellen Bodenstudien durchgeführt, die sich auf Schwingungs- und Bifurkationsprozesse in der thermokapillaren Konvektion konzentrierten, und die gekoppelte Wirkung von Auftrieb und thermokapillarer Kraft wurde analysiert. Experimentelle Ergebnisse zeigen, dass der Auftriebseffekt bei Bodenexperimenten nicht ignoriert werden kann, da er in vielen Fällen eine dominierende Rolle spielt^19,20,21,22. Im Jahr 2016 wurden zwei Mikrogravitationsexperimente durchgeführt, um die thermokapillare Konvektion in der flüssigen Brücke auf der TG-2 und die thermokapillare Konvektion im ringförmigen Flüssigkeitspool auf dem sJ-10-reagierbaren Satelliten^23,24zu erforschen. Das vorliegende Papier stellt die experimentelle Nutzlast der thermokapillaren Konvektion auf dem SJ10 und die Ergebnisse des Weltraumexperiments vor. Diese Methoden werden bei der Erforschung des Mechanismus der thermokapillaren Oszillation hilfreich sein.

Um den konvektiven Musterübergang, die Temperaturschwingung und die flüssigkeitsfreie Oberflächenverformung zu beobachten, werden sechs Thermoelemente, eine Infrarot-Wärmebildkamera und ein Verschiebungssensor zur Quantifizierung der Frequenz, Amplitude und anderer physikalischer Größen der Schwingung verwendet wurden. Durch Untersuchungen zur Schwingung und über den Übergang in der thermokapillaren Konvektion im Weltraum kann der Mechanismus der thermokapillaren Konvektion in der Schwerelosigkeitsumgebung, der wissenschaftliche Hinweise für das Wachstum von Materialien im Weltraum bietet, entdeckt und verstanden werden. Darüber hinaus werden technologische Durchbrüche in solchen Weltraumexperimenten, wie die Techniken der Flüssigkeitsoberflächenwartung und der Flüssigkeitsinjektion ohne Blasen, die Einfachheit und das technische Niveau von Mikrogravitationsexperimenten in Flüssigkeiten weiter verbessern. Physik.

In diesem Beitrag werden die Nutzlastentwicklung und das Weltraumexperiment des thermokapillaren Oberflächenwellenprojekts vorgestellt, das auf dem wissenschaftlichen Experimentalsatelliten SJ-10 durchgeführt wurde. Als Nutzlast des Weltraumexperiments verfügt dieses thermokapillare Konvektionssystem über eine starke Vibrationsabwehrfähigkeit, um heftigen Schock zu verhindern, insbesondere während des Satellitenstartprozesses. Um den Anforderungen der Fernbedienung gerecht zu werden, wird der Weltraumexperimentprozess automatisch gesteuert, und die Weltraumexperimente können an die Bodensignalempfangsstation der Raumsonde und dann an die experimentellen Plattform.