ВИПИЛ

ВИПИЛ
Шифр эксперимента: ВИПИЛ
Информационная справка: is_vipil.docx
Направление НПИ: 1. Физико-химические процессы и материалы в условиях космоса
Секция КНТС: Космическое материаловедение
Наименование эксперимента: Определение характеристик течений и тепломассопереноса в сложных жидкостях при действии вибрации
Цель эксперимента:

Целью проекта является разработка и внедрение экспериментальных методов изучения вибрационных течений в жидкостях различного происхождения в космосе. Объектами экспериментальных исследований в космосе будут (а) системы смешивающихся несжимаемых ньютоновских жидкостей, (б) сильно сжимаемые околокритические жидкости и (с) биологические жидкости, проявляющие неньютоновское поведение. Проведение экспериментов в космосе, на борту МКС, позволит улучшить понимание основных процессов, определяющих взаимодействие вибраций и жидкостей.

Описание эксперимента:

Целью КЭ является проведение фундаментальных и прикладных исследований воздействия линейно-поляризованных гармонических вибраций на тепло- и массоперенос в несжимаемых ньютоновских жидкостях, сильно сжимаемых околокритических жидкостях и неньютоновских биологических жидкостях. В земных условиях такого рода исследования не могут быть проведены из-за сильного влияния гравитационной конвекции и гравитационного осаждения различного рода включений при малых скоростях потока (например, осаждение включений в биожидкостях).

Для проведения измерений будет использован метод оптической цифровой интерферометрии. Применение интерференционного метода для исследования прозрачных сред обусловлено тем, что этот метод обладает хорошим пространственным и временным разрешением и не вносит возмущений в исследуемую среду.

Основные элементы НА, необходимой для проведения КЭ, входят в состав НА SODI (Selectable Optical Diagnostics Instrument), находящейся на борту МКС и использовавшейся для проведения КЭ IVIDIL ( Influence Vibration on Diffusion in Liquids). Для каждого из трех предложенных направлений исследований будет разработан и изготовлен соответствующий узел, содержащий измерительные ячейки. На стадии подготовки КЭ будут проведены наземные эксперименты, эксперименты в условиях параболического полета, а также численные и аналитические исследования воздействия вибраций на течения и тепло- и массоперенос в исследуемых средах.

Результаты этих предварительных исследований будут использованы при выборе рабочих сред и амплитудно-частотных характеристик вибраций, а также для совершенствования используемой НА.

Новизна эксперимента:

В результате выполнения проекта будут получены новые экспериментальные и теоретические данные о влиянии контролируемых вибраций на процессы смешения взаимнорастворимых жидкостей разной плотности; процессы фазового разделения в замкнутых объемах околокритических жидкостей при понижении температуры от сверхкритических до подкритических значений; картину течения и характеристики процесса теплопереноса в замкнутом объеме сверхкритического флюида; устойчивость температурного пограничного слоя и пальцеобразование в сверхкритической жидкости при внезапном понижении температуры границ; движение эритроцитов и процессы их коагуляции; кровоток и формирование бесклеточного слоя вблизи стенки сосуда в результате миграции эритроцитов к оси потока. Кроме того, будет проведена верификация и усовершенствованы теоретические модели и их численные реализации для описания поведения сложных жидкостей при наличии вибраций. .

Научная аппаратура:

Для проведения космического эксперимента будет использоваться модуль SODI (Selectable Optical Diagnostics Instrument – Инструмент для Выборочной Оптической Диагностики). Этот модуль был разработан по заказу Европейского космического агентства для проведения экспериментов с жидкостями, в которых требуется обеспечение заданных тепловых условий и высококачественной оптической диагностики.

Модуль SODI устанавливается в блок MSG (Microgravity Science Glovebox – Герметичный контейнер с перчатками) (рис. 1), который размешен в Европейском модуле Коламбус. В состав модуля SODI входят различные инструменты оптической диагностики – интерферометр Маха-Цандера, аппаратура для оптического измерения поля скоростей и инструмент для ближнеполевой оптической микроскопии.

Каждый эксперимент имеет свой блок ячеек, который устанавливается в SODI космонавтом. Модуль разработан таким образом, что замена блоков может производиться без извлечения модуля из блока MSG. Модуль SODI был доставлен на МКС 30 августа 2009 г. миссией STS-128.

Ожидаемые результаты:

В результате выполнения проекта будут получены новые экспериментальные и теоретические данные о влиянии контролируемых вибраций на процессы смешения взаимнорастворимых жидкостей разной плотности; процессы фазового разделения в замкнутых объемах околокритических жидкостей при понижении температуры от сверхкритических до подкритических значений; картину течения и характеристики процесса теплопереноса в замкнутом объеме сверхкритического флюида; устойчивость температурного пограничного слоя и пальцеобразование в сверхкритической жидкости при внезапном понижении температуры границ; движение эритроцитов и процессы их коагуляции; кровоток и формирование бесклеточного слоя вблизи стенки сосуда в результате миграции эритроцитов к оси потока.

Кроме того, будет проведена верификация и усовершенствованы теоретические модели и их численные реализации для описания поведения сложных жидкостей при наличии вибраций.

Результаты КЭ могут быть использованы на предприятиях ракетно-космической отрасли, химической промышленности, энергетике и других отраслях народного хозяйства для разработки методик инженерных расчетов динамики течений сложных жидкостей при наличии вибраций и при разработке методик управления технологическими процессами с использованием вибраций в условиях нормальной и пониженной гравитации. .

Полученные результаты:

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

Сроки проведения: 2013-2016 г.
Состояние эксперимента: Выведен
Организация постановщик: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт механики сплошных сред Уральского отделения Российской академии наук
Организации участники: Институт механики сплошных сред Уральского отделения Российской Академии наук; Институт проблем механики РАН, ИПМех РАН; Пермский государственный университет
Научный руководитель: Любимова Татьяна Петровна, Институт механики сплошных сред УрО РАН, зав. лабораторией вычислительной гидродинамики, д.ф.-м.н., профессор
Публикации по эксперименту:

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

2. Любимов Д.В., Любимова Т.П., Черепанов А.А. Динамика поверхностей раздела в вибрационных полях. М.: Физматлит, 2003.

3. Д.В.Любимов, А.А.Черепанов. О возникновении стационарного рельефа на поверхности раздела жидкостей в вибрационном поле. Изв. АН СССР, МЖГ, 1986, N 6, С.8-13.

4. Д.В.Любимов, Т.П.Любимова. Об одном методе сквозного счета для решения задач с деформируемой поверхностью раздела. Моделирование в механике, 1990, т. 4(21), N1, С.136-140.

5. 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.

6. D.V.Lyubimov, A.A.Cherepanov, T.P.Lyubimova, B.Roux. Orienting effect of vibrations on the interphase. C.R.A.S., 1997, t.325, Serie II b, pp.391-396.

7. D.V.Lyubimov, A.A.Cherepanov, T.P.Lyubimova, B.Roux. Vibration influence of a two-phase system in weightlessness conditions. J. Physique IV, 11(6), pp. 83-90 (2001).

8. 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).

9. Lyubimov D., Lyubimova T., Vorobyev A., Mojtabi A., Zappoli B. Thermal vibrational convection in near-critical fluids. J. Fluid Mech. 564, 159, 2006.

10. 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).

11. Полежаев В.И., Емельянов В.М., Иванов А.И., Калмыков А.В., Бейсонс Д., Гаррабос И. Экспериментальное исследование влияния вибраций на процессы переноса в сверхкритической жидкости в условиях микрогравитации. Космические исследования. Т. 39. № 2. C. 201–206, (2001).

12. A.V.Zyuzgin, G.F.Putin, N.G.Ivanov, M.Emelianov, The heat convection of a near critical fluid in the controlled micro accelerations field under zero-gravity condition, Adv. Space Res., 32, 205-210, (2003).

13. Emelianov V., Lednev A., Polezhaev V., Ivanov A., Putin G., Zyuzgin A., Beysens D., and Garrabos Y.. Convection and Heat Transfer Experiments in Supercritical Fluid under Microgravity: from MIR to ISS. Microgravity Sci. Technol., XVI-I, 2005.

14. Y.Garrabos, D.Beysens, C.Lecoutre, A.Dejoan, V.Polezhaev, V.Emelianov, Thermoconvectional phenomena induced by vibrations in supercritical SF6 under weightlessness. Phys. Rev. E, 75, 056317 (2007).

15. Emelyanov V., Gorbunov A. and Lednev A. The study of Heat Transfer in a Closed Domain of Supercritical SF6 with the Laboratory and Numerical Instruments, J. Jpn. Soc. Microgravity Appl., 25 (3), 273 (2008).

16. Emelyanov V., Gorbunov A., Lednev A., and Nikitin S. Charcteristic Features of Heat Transfer in Supercritical Fluids: Results of Mathematical and Physical Modeling. Supercritical Fluids: Theory and Practice, 4 (2), 71 (2009).

Последнее обновление: 30.05.2019
Задачи эксперимента:

-Исследование вибрационного перемешивания в смешивающихся ньютоновских жидкостях в космических условиях;

-Исследование фазовых превращений в околокритических жидкостях при действии вибраций;

-Исследование теплового пограничного слоя в околокритических жидкостях при действии вибраций;

-Исследование поведения биологических (неньютоновских) жидкостей под действием вибраций.

Страна: Россия