Experimento espacial de convecção termocapilar no satélite recuperável SJ-10

condições de microgravidade no espaço, muitos fenômenos físicos interessantes são apresentados devido à ausência de gravidade. Em um líquido com superfície livre, existe um novo sistema de fluxo (ou seja, fluxo termocapilar) que é causado pelo gradiente de temperatura ou gradiente de concentração. Diferente da convecção tradicional no solo, a convecção termocapilar é um fenômeno onipresente em ambientes espaciais. Como é um importante sujeito de pesquisa em física de fluidos de microgravidade, uma série de experimentos foram realizados tanto no espaço quanto no solo. Recentemente, estudos experimentais espaciais foram realizados sobre convecção termocapilar no satélite de experimentocientífico recuperável SJ-10. A carga de experimento espacial consistia em oito sistemas, ou seja, um sistema de experimento de fluidos, sistema de armazenamento e injeção de líquido, sistema de controle de temperatura, sistema de medição de termopar, câmera térmica infravermelha, sensores de deslocamento, sistema de aquisição de imagens CCD e sistema de controle elétrico, como mostrado na Figura 1 (esquerda). A carga de experimento espacial para pesquisa sobre ondas superficiais de convecção termocapilar é mostrada na Figura 1 (direita). Este estudo concentrou-se na instabilidade do fluxo, fenômenos de oscilação e transições, que são características importantes no processo de transição do fluxo laminar para o caos. Estudos sobre esses temas fundamentais têm grande significado para pesquisas sobre forte fluxo não linear.

Ao contrário da convecção de flutuação impulsionada pela força do volume, a convecção termocapilar é um fenômeno causado pela tensão superficial dentro da interface entre dois fluidos imiscíveis. A magnitude da tensão superficial muda com alguns parâmetros escalares, incluindo temperatura, concentração de soluto e força do campo elétrico. Quando esses campos escalares se distribuem de forma irregular na interface, haverá um gradiente de tensão superficial presente na superfície livre. O fluido na superfície livre é acionado pelo gradiente de tensão superficial para se mover do local com menor tensão superficial para a com maior tensão superficial. Este fluxo foi interpretado pela primeira vez por um físico italiano, Carlo Marangoni. Assim, foi nomeado o “efeito Marangoni”¹. O fluxo de marangoni na superfície livre estende-se ao líquido interno por viscosidade e, como resultado, gera o que é conhecido como convecção marangoni.

Estritamente falando, para o sistema de fluidos com superfície livre, a convecção termocapilar e a convecção de flutuação sempre aparecem simultaneamente gravidade normal. Em geral, para um sistema convectivo macroscópico, a convecção termocapilar é um efeito menor e geralmente é ignorada em comparação com a convecção de flutuação. No entanto, a condição de um sistema convectivo de pequena escala ou no ambiente de microgravidade, a convecção de flutuação será muito enfraquecida, ou mesmo desaparecerá, e a convecção termocapilar se tornará dominante no sistema de fluxo. Por um longo período de tempo, a pesquisa tem sido focada na convecção de flutuação em macroescala devido às limitações nas atividades humanas e métodos de pesquisa^2,3,4. No entanto, nas últimas décadas, com o rápido desenvolvimento da ciência e tecnologia moderna, como aeroespacial, cinema, MEMS e ciência não linear, a necessidade de mais pesquisas sobre convecção termocapilar tornou-se cada vez mais urgente.

Estudos sobre hidrodinâmica de microgravidade têm importante significância acadêmica e perspectivas de aplicação. Muitos dinâmicos, químicos físicos, biólogos e cientistas de materiais se reuniram para trabalhar neste campo. Kamotani e Ostrach concluíram experimentos de convecção termocapilar em uma piscina líquida anular em condições de microgravidade^2,,5,6,7,,8 e observaram fluxo constante, fluxo oscilatório e condições críticas. Schwabe et al. estudaram a convecção flutuante-termocapilar em uma piscina líquida anular semelhante^3,9 e descobriram que o fluxo oscilatório apareceu primeiro como ondas termocapilares, e depois se transformou em um fluxo mais complexo com o aumento da diferença de temperatura. Em 2002, Schwabe e Benz et al. relataram um grupo de experimentos em convecção termocapilar em uma piscina líquida anular realizada no satélite russo FOTON-12^4,10. Seus resultados experimentais espaciais foram consistentes com os resultados experimentais terrestres. Alguns cientistas japoneses realizaram três séries de experimentos em convecção termocapilar de ponte líquida, denominada Marangoni Experiment in Space (MEIS), na Estação Espacial Internacional^11,12,13. Alguns equipamentos experimentais, incluindo a câmera, imagem térmica, sensores termopares e tecnologia 3D-PTV e fotocrômica, foram aplicados nessas três tarefas. Foram determinadas as condições críticas de convecção termocapilar em diferentes proporções, observadas estruturas de fluxo tridimensional (3D).

Nos últimos 30 anos, a ciência da microgravidade passou por um desenvolvimento prolífico na China^14,15,16, e uma série de experimentos de microgravidade foram realizados no espaço^17,18. No campo da física de fluidos, o primeiro experimento de microgravidade foi o estudo de fluido de duas camadas no satélite recuperável SJ-5 em 1999, e a estrutura de fluxo foi obtida pelo método de rastreamento de partículas¹⁴. Em 2004, o estudo sobre a migração termocapilar de uma gotícula foi realizado no SZ-4, e a relação entre a velocidade de migração e o número crítico de Mach (Ma) foi obtida^15,16. Em 2005, o estudo experimental sobre migração termocapilar multibolhas foi realizado no JB-4¹⁷, e as regras de migração foram obtidas à medida que o número de Ma foi aumentado para 8.000. Enquanto isso, problemas como a fusão de bolhas também foram estudados. Em 2006, o estudo sobre a transferência de massa de difusão foi realizado no satélite recuperável SJ-8, o interferômetro Mach-Zehnder foi aplicado pela primeira vez no experimento espacial, observou-se o processo de transferência de massa de difusão e o coeficiente de difusão foi avaliado¹⁸.

Nos últimos anos, uma série de estudos experimentais terrestres focados nos processos de oscilação e bifurcação na convecção termocapilar foram realizados, e o efeito acoplado da flutuação e da força termocapilar foi analisado. Os resultados experimentais mostram que o efeito de flutuação não pode ser ignorado em experimentos terrestres, pois desempenha um papel dominante em muitos casos^19,20,21,22. Em 2016, dois experimentos de microgravidade foram realizados para pesquisa de convecção termocapilar na ponte líquida no TG-2, e convecção termocapilar na piscina líquida anular do satélite recuperável SJ-10^23,24. O presente trabalho introduz a carga experimental de convecção termocapilar no SJ10, e os resultados do experimento espacial. Esses métodos serão úteis na exploração do mecanismo de oscilação termocapilar.

A fim de observar a transição de padrão convectivo, oscilação de temperatura e deformação da superfície sem líquido, seis termopares, uma câmera térmica infravermelha e um sensor de deslocamento para quantificar a frequência, amplitude e outras quantidades físicas da oscilação foram usados. Através de investigações sobre oscilação e transição na convecção termocapilar no espaço, o mecanismo de convecção termocapilar no ambiente de microgravidade, que fornece orientação científica para o crescimento de materiais no espaço, pode ser descoberto e compreendido. Além disso, avanços tecnológicos em tais experimentos espaciais, como as técnicas de manutenção de superfície líquida e injeção de líquido sem bolhas, aumentarão ainda mais a simplicidade e o nível técnico de experimentos de microgravidade em fluidos Física.

Este artigo introduz o desenvolvimento de carga e o experimento espacial do projeto de ondas de superfície termocapilar realizado no satélite experimental científico SJ-10. Como uma carga de experimento espacial, este sistema de convecção termocapilar tem uma forte capacidade anti-vibração para evitar choques violentos, especialmente durante o processo de lançamento do satélite. Para atender aos requisitos da operação remota, o processo de experimento espacial é controlado automaticamente, e os dados experimentais espaciais podem ser transmitidos para a Estação receptora de sinal terrestre da espaçonave e, em seguida, para o experimental dos cientistas Plataforma.