Usædvanlig væskeadfærd observeret i mikrogravitation

(Phys.org) - Normalt når en væske opvarmes over sit kogepunkt, det fordamper, bliver til en damp. Men da forskere for nylig udførte et eksperiment på den internationale rumstation (ISS), de observerede, at dampen nær et varmeledning kondenserede til en væske, selv når temperaturen var 160 K over stoffets normale kogepunkt. Resultaterne viser, at mikrogravitation ændrer væsentligt fordampning og kondensprocesser, men forskerne har endnu ikke en fuldstændig forklaring på fænomenet.

Forskergruppen, bestående af forskere fra Rensselaer Polytechnic Institute og NASA Glenn Research Center, har udgivet et papir om de overraskende observationer i et nyligt nummer af Fysisk gennemgangsbreve .

Det er ikke første gang, at uventet adfærd i varmeledninger, som er enheder, der bruges til at afkøle komponenter i et rumfartøj, er blevet observeret i mikrogravitation. I 2015, mange af de samme forskere lavede en beslægtet, kontraintuitiv observation under forsøg udført på ISS.

På det tidspunkt, forskerne observerede, at øget varmeindgang til et varmeledning ikke fik enheden til at tørre ud nær den opvarmede ende, som den gør på jorden, men i stedet forårsagede det væskeansamling der. På det tidspunkt, de processer, der var ansvarlige for dette fænomen, blev ikke fuldstændigt forstået.

I den nye undersøgelse, forskerne udførte et lignende varmepipeforsøg med pentan og fandt ud af, at efterhånden som varmetilførslen til overfladen steg, mængden af ​​kondens steg. De observerede effekten ved temperaturer på op til 160 K over det normale kogepunkt for pentan, det punkt, hvor eksperimentet nåede sine sikkerhedsgrænser. Generelt, væske over dets kogepunkt siges at være i en "overophedet" tilstand. Her, forskerne beskriver den varme ende af varmeledningen som oversvømmet med overophedet væske.

Selvom forskerne ikke har en fuldstændig teoretisk forklaring på, hvad der forårsager dette kondensfænomen, de ved ud fra tidligere forskning, at det delvis opstår på grund af Marangoni -effekten. Denne effekt stammer fra varmeledningens fysiske egenskaber. Et varmeledning har en opvarmet ende og en afkølet ende, som skaber en primær temperaturgradient langs rørets varm-kolde akse. Men da væskefilmen på varmeledningens overflade ikke er ensartet, temperaturgradienten er tredimensionel og varierer over hele røroverfladen.

Disse temperaturgradienter, på tur, skabe overfladespændingsgradienter. Dette fører derefter til Marangoni -effekten, som opstår når køligere væske, som har en højere overfladespænding end varmere væske, trækker den varmere væske mod den. Til sidst, effekten producerer Marangoni-drevne strømme-en fra den opvarmede ende til den afkølede ende, og en anden fra midten af ​​røret til dets kanter. Disse strømme forekommer selv i rørets varme "fordampningszone", og de genererer en ustabilitet i det flydende lag, der forstærker kondensen. Forskerne har også mistanke om, at mikro- eller nanopartikler på røroverfladen forstærker naturlige forstyrrelser og dermed hjælper med at starte kondens i disse regioner.

Som forskerne forklarer, grunden til at denne kondens let kan observeres i et mikrogravitationsmiljø, men ikke på Jorden, er at den stærkere tyngdekraft på Jorden begrænser væskens returstrøm fra den afkølede ende til den opvarmede ende af varmeledningen, hvilket i høj grad reducerer Marangoni -kræfterne. Alligevel, forskerne bemærker, at kondensfænomenet forekommer under Jordens tyngdekraft, dog i mindre skala, og forveksles let med overfladeforurening.

Samlet set, forskerne forklarer, at den usædvanlige væskeadfærd er videnskabeligt interessant af et par grunde.

"Der er to fundamentalt interessante aspekter ved undersøgelsen, "fortalte medforfatter Joel Plawsky ved Rensselaer Polytechnic Institute Phys.org . "Den første er den fremkomne adfærd, der kommer fra at have et lukket system. Hverken det oversvømmelsesfænomen, vi oplevede i 2015 eller det kondensfænomen, vi oplevede her, blev observeret i mere åbne systemer, hvor der kun var fordampning eller kun kondens. I dette system, da den kondenserede væske og fordampningsvæsken er i konstant forbindelse med hinanden, der opstår mere usædvanlig væskeadfærd.

"Det andet interessante aspekt er, hvor vigtig grænseflade og især intermolekylære kræfter kan være, selvom de arbejder i længden skalerer mange størrelsesordener mindre end varmeledningens skala. I dette tilfælde, de genoprettende intermolekylære kræfter hjælper med at brænde kondensen lokalt, og det udmønter sig i store ændringer i filmtykkelse, der kan observeres globalt. Igen, dette sker kun, hvis alle længdeskalaer kan udveksle oplysninger med hinanden, som de kan i en lukket, varmeledningssystem. "

Udover at være af grundlæggende interesse, resultaterne kunne hjælpe forskere med at forstå begrænsningerne ved varmeledninger som køleenheder til rumfartøjer, og guide designet til forbedrede versioner. I mellemtiden, forskerne planlægger at undersøge væskens adfærd i mikrogravitation yderligere gennem modificerede eksperimenter.

"Vi, og en række andre, har vist, at tilføjelse af en anden kemisk komponent til systemet kan negere nogle af de skadelige træk, der observeres under drift med en ren væske, "Sagde Plawsky." Vi vil prøve eksperimenter, ligner dem, vi allerede har kørt, med væskeblandinger. I sådanne tilfælde, Marangoni understreger, drevet af temperaturgradienter, kan opvejes ved at modsætte sig spændinger drevet af sammensætningsgradienter. Imidlertid, da man nu har tilføjet en anden grad af frihed ved at tilføje den anden komponent, ekstra, uventede fænomener kan dukke op. "

Han tilføjede, at hvis ISS skulle være udstyret med en billedoptagelse i høj hastighed, det ville give forskerne mulighed for at undersøge den nøjagtige karakter af ustabiliteten, og hvordan ustabiliteten ændres i frekvens og amplitude, når varmetilførslen til enheden ændres.

"Der tales om at udvikle et varmeledningsanlæg på den internationale rumstation, "sagde han." Hvis det kunne bygges, ville det være meget interessant at kunne undersøge alternative geometrier som kapillærpumpede sløjfer, trekantede tværsnitsrør, eller flerbenede oscillerende varmeledninger og se om der er store uventede fænomener, der udvikler sig. Alle disse eksperimenter ville blive udført med transparente systemer. Selvom et transparent system ikke fungerer så effektivt som et metallisk system, det giver fordelen ved at være i stand til at se, hvor væsken og dampen er, og bedre forstå væskedynamikken, der opstår indeni. "

© 2017 Phys.org