ДСМИКС

ДСМИКС

Шифр эксперимента: ДСМИКС
Информационная справка: is_dsmiks.docx
Направление НПИ: 1. Физико-химические процессы и материалы в условиях космоса
Секция КНТС: Космическое материаловедение
Наименование эксперимента: Измерение коэффициентов переноса в многокомпонентных смесях
Цель эксперимента:

Измерение коэффициентов диффузии и термодиффузии в тройных смесях в условиях невесомости.

Описание эксперимента:

Основной целью космического эксперимента является измерение коэффициентов диффузии и термодиффузии в тройных смесях в условиях невесомости.

Измерения коэффициентов будут проводиться методом цифровой оптической интерферометрии.

Экспериментальная установка состоит из блока, содержащего пять ячеек с различными смесями. Все ячейки заполняются жидкими смесями на Земле.

Каждый эксперимент выполняется в два этапа:

1. В ячейках с однородным распределением концентрации формируется градиент температуры. После этого начинается процесс термодиффузионного разделения смеси, который продолжается до достижения стационарного состояния.

2. После достижения стационарного состояния разность температур снимается, при этом на обеих медных пластинах устанавливается средняя температура эксперимента T0. Вследствие диффузионного перемешивания распределение концентраций компонент со временем становится однородным. Описанный подход дает уникальную возможность измерения коэффициентов диффузии и термодиффузии на первом этапе и дополнительной проверки этих результатов на втором этапе.

Новизна эксперимента:

Новизна предлагаемого эксперимента заключается в комплексном исследовании явлений переноса в тройных смесях путем измерения коэффициентов диффузии и термодиффузии, создания и усовершенствования теоретических моделей коэффициентов переноса и математическом моделировании соответствующих процессов тепломассообмена.

Особое внимание будет уделено смесям с аномальным эффектом Соре, которые слабо изучены в настоящее время. Для измерений предполагается использовать метод цифровой оптической интерферометрии, который ранее не применялся к смесям из трех компонент.

В рамках подготовки космического эксперимента будут впервые проведены комплексные наземные исследования коэффициентов переноса в тройных смесях различными методами (цифровая оптическая интерферометрия, термодиффузионная колонна, технология отклонения лазерного луча и др.).

Инновационным компонентом проекта является сочетание передовых экспериментальных технологий в космических и земных условиях и современных теоретических подходов к исследованию процессов тепломассообмена. В целом, планируемый эксперимент позволит получить новые фундаментальные знания (экспериментальные данные, теоретические концепции) в области явлений переноса в многокомпонентных смесях.

Научная аппаратура:

В эксперименте "ДСМИКС" используется аппаратура SODI (Selectable Optical Diagnostics Instrument – Инструмент для Выборочной Оптической Диагностики), которая установлена в блоке MSG (Microgravity Science Glovebox – Герметичный контейнер с перчатками), размещенном в Европейском модуле Colambus (Коламбус) на МКС.

В состав модуля входят различные инструменты оптической диагностики: интерферометр Маха-Цандера, аппаратура для оптического измерения поля скоростей и инструмент для ближнеполевой оптической микроскопии.

Модуль состоит из следующих частей:

1. Экспериментальные ячейки с рабочими жидкостями.

2. Блок ячеек и контейнер блока ячеек, который обеспечивает заданный тепловой режим (подогрев и охлаждение стенок).

3. Стационарный и передвижной оптические модули с интерферометрами Маха-Цандера.

4. Линейный мотор для создания поступательных вибраций заданной частоты и амплитуды.

5. Блок управления модулем.

Ожидаемые результаты:

В эксперименте будут проведены измерения коэффициентов диффузии и термодиффузии тройных смесей углеводородов, жидкостей с зоной расслоения, водно-спиртовых растворов и некоторых биологических жидкостей методом цифровой оптической интерферометрии. Результатом измерения будут значения четырех коэффициентов диффузии и двух коэффициентов термодиффузии для каждой смеси. Будут изучены жидкости с нормальным и аномальным эффектом Соре

Полученные результаты:

Эксперимент ДСМИКС продолжает исследование процессов переноса в жидких смесях, начатые в космическом эксперименте IVIDIL, успешно проведенном на МКС в 2009-2010 гг. В этом эксперименте изучалось влияние осредненных течений, индуцируемых вибрациями, на процессы переноса в бинарных смесях. При подготовке эксперимента IVIDIL были проведены наземные эксперименты и численное моделирование влияния вибраций на диффузию и термодиффузию в бинарных смесях.

Сроки проведения: 2012-2014 г.
Состояние эксперимента: Завершен
Организация постановщик: Институт механики сплошных сред Уральского отделения Российской академии наук
Организации участники: Институт вычислительного моделирования СО РАН; Институт биохимической физики РАН; Организациu – координаторы международного проекта Microgravity Research Center, Universite Libre de Bruxelles (ULB), Brussels, Belgium Ryerson University, Toronto, Canada Организации - зарубежные соисполнители: Paul Sabatier University, Toulouse, France Universite de Pau et des Pays de l’Adour, Pau, France Mondragon Universitatea, Arrasate-Mondragon, Spain Universitat Bayreuth, Bayreuth, Germany Research Center Juelich, Juelich, Germany Tohoku University, Sendai, Japan Institute of Space and Astronautical Science, Tsukuba, Ibaraki, Japan
Научный руководитель: Любимова Т.П., ИМСС УрО РАН, зав. лабораторией вычислительной гидродинамики, д.ф.-м.н., профессор
Публикации по эксперименту:

1. Богатырев Г.П., Косвинцев С.Р., Костарев К.Г. Любимова Т.П., Мызникова Б.И., Путин Г.Ф., Семенов В.А., Сорокин М.П., Ястребов Г.В. Лабораторное и математическое моделирование свободной конвекции в микрогравитации. В книге «Гидромеханика и тепломассообмен при получении материалов». М.: Наука, 1990. C. 282–286.

2. Bezdenezhnykh N.A., Briskman V.A., Lapin A.Yu., Lyubimov D.V., Lyubimova T.P., Tcherepanov A.A., Zakharov I.N. The influence of high frequency tangential vibrations on the stability of fluids interface in microgravity. Fluid Dynamics in Microgravity, ed. by H.J. Rath. Springer-Verlag, p.137–144 (1992).

3. Gershuni G.Z. and Lyubimov D.V. Thermal Vibrational Convection. Wiley & Sons, 1998.

4. Lyubimov D.V., Lyubimova T.P., Croell A., Dold P., Benz K.W., Roux B. Vibration-induced convective flows. Microgravity Science and Technology, 11 (3) 101, (1998).

5. Dold P., Benz K.W., Croll A., Roux B., Lyubimov D., Lyubimova T., Scuridyn R. Vibration controlled convection – preparation and perspectives of the Maxus 4 experiment. Acta Astronautica, 48 (5-12), 639 (2001).

6. Lyubimov D.V., Cherepanov A.A., Lyubimova T.P., Roux B. Vibration influence on a two-phase system in weightlessness conditions. J. Physique IV, 11 (Pr 6), 83 (2001).

7. Lyubimova T., Shklyaeva E., Legros J.C., Shevtsova V., Roux B. Numerical study of high frequency vibration influence on measurement of Soret and diffusion coefficients in low gravity conditions. Advances in Space Research, 36 (1), 70 (2005).

8. Shevtsova V., Melnikov D., Legros J.C., Yan Y., Saghir Z., Lyubimova T., Sedelnikov G., and Roux B. Influence of vibrations on thermodiffusion in binary mixture: A benchmark of numerical solutions. Phys. Fluids, 19, 017111, 2007.

9. Ryzhkov I.I. and Shevtsova V.M. On thermal diffusion and convection in multicomponent mixtures with application to the thermogravitational column. Physics of Fluids, V. 19, Issue 2, 027101 (2007).

10. Mialdun A. and Shevtsova V. Development of optical digital interferometry technique for measurement of thermodiffusion coefficients. Int. J. Heat Mass Trans. 51, 3164, 2008.

11. Mialdun A., Ryzhkov I., Melnikov D., and Shevtsova V. Experimental evidence of thermal vibrational convection in a non-uniformly heated fluid in a reduced gravity environment. Phys. Rev. Lett., 101, 084501, 2008.

12. Melnikov D.E., Ryzhkov I.I., Mialdun A., Shevtsova V. Thermovibrational convection in microgravity: preparation of a parabolic flight experiment. Microgravity Science and Technology, V. 20, pp. 29–39 (2008).

13. Ryzhkov I.I. and Shevtsova V.M. Convective stability of multicomponent fluids in the thermogravitational column. Phys. Rev. E, 79 (2), 026308, 2009.

14. Ryzhkov I.I. and Shevtsova V.M. Long-wave instability of a multicomponent fluid layer with the Soret effect. Physics of Fluids, V. 21, Issue 1, 014102 (2009).

15. Ryzhkov I.I. and Shevtsova V.M. On the cross-diffusion and Soret effect in multicomponent mixtures. Microgravity Science and Technology, V. 21, Issue 1–2, pp. 37–40 (2009).

16. Shevtsova V., Ryzhkov I.I., Melnikov D., Gaponenko Y., and Mialdun A. Experimental and theoretical study of vibration-induced convection in low gravity. J. Fluid Mech., 648, p. 53–82 , 2010.

17. Shevtsova V., Mialdun A., Melnikov D., Ryzhkov I., Gaponenko Y., Saghir Z., Lyubimova T., Legros J.C. The IVIDIL experiment onboard the ISS: Thermal diffusion in the presence of controlled vibration. Comptes Rendus Mecanique, V. 339, Issue 5, p. 310–317 (2011).

18. Schimpf M.E., Semenov S.N. J. Phys. Chem. B 104, 9935 (2000).

19. Semenov S.N., Schimpf M.E. Phys. Rev. E 69, 011201 (2004).

20. Schimpf M.E., Semenov S.N. Phys. Rev. E, 70, 031202 (2004).

21. Semenov S.N., Schimpf M.E. Phys. Rev. E, 72 041202 (2005).

22. Semenov S.N., Schimpf M.E. Phase Demixing in Non-Isothermal Binary Liquids, Thermal Nonequilibrium, Lecture Notes of 8th International meeting on Thermodiffusion, ISBN 978-3-89336-523-4, pp. 63-70, 2008.

23. Semenov S.N., Schimpf M.E. On thermodynamic approach to mass transport. Thermal Nonequilibrium, in Lecture Notes of 8th International meeting on Thermodiffusion, ISBN 978-3-89336-523-4, pp. 109-116, 2008.

24. Semenov S.N., Schimpf M.E. Theory of Strong Temperature Dependence in Thermophoresis. Thermal Nonequilibrium, Lecture Notes of 8th International meeting on Thermodiffusion, ISBN 978-3-89336-523-4, pp. 117-124, 2008.

25. Семенов С.Н., Шимпф M.E. УФН, 52 (2009) 1045.

26. Semenov S.N. European Physics Letters, 90 (2010) 56002.

Последнее обновление: 15.11.2017