Определение характеристик течений и тепломассопереноса в сложных

жидкостях при действии вибраций

(ВИПИЛ)

Постановщик:

, д. ф.-м. н., профессор, Институт механики сплошных сред  УрО РАН

Эксперимент ВИПИЛ планируется провести на МКС в 2018 году

Область исследования 

Течения и тепломассоперенос в сложных жидкостях при действии вибраций

Краткое описание эксперимента

Целью космического эксперимента ВИПИЛ является определение характеристик и установление закономерностей процессов, определяющих взаимодействие вибраций со сложными жидкостями. В земных условиях такого рода измерения затруднены из-за сильного влияния гравитационной конвекции и гравитационного осаждения различного рода включений при малых скоростях потока. Основное внимание уделяется системам смешивающихся несжимаемых ньютоновских жидкостей. Для наблюдения полей концентрации в эксперименте ВИПИЛ будет использоваться оптическая интерферометрия. Этот метод наилучшим образом подходит для космического эксперимента, поскольку он позволяет отслеживать пространственную и временную динамику полей концентрации с высокой точностью, не вносит внешних возмущений в исследуемые смеси и требует небольшого числа повторений для получения надежных результатов. Эксперимент будет проводиться с помощью аппаратуры SODI (инструмент выборочной оптической диагностики), размещенной в европейском модуле Коламбус на Международной космической станции.

Зарубежные координаторы проекта VIPIL:

Microgravity Research Center, Universite Libre de Bruxelles (Belgium)

Institut d’Electronique de Micro?electronique et de Nanotechnologie (IEMN) (France)

Зарубежные участники проекта VIPIL:

ESPCI-PMMH, Paris (France)

TREFLE Laboratory, University of Bordeaux 1 (France)

University of Florida (USA)

JAXA (Japan)

Tokyo University of Science (Japan)

Использование результатов эксперимента на Земле

Результатом КА будут новые данные о влиянии вибраций на процессы смешения взаимнорастворимых жидкостей разной плотности. Кроме того, будет проведена верификация и усовершенствованы модели для описания поведения систем смешивающихся жидкостей при наличии вибраций. Результаты исследований важны для многих земных приложений, таких как микросмешение, лаборатория-на-чипе и др. Микро и наножидкостные устройства требуют быстрого перемешивания образца и реагента для повышения скорости реакций в биохимических анализах. Однако, числа Рейнольдса для таких устройств низки, т. е. турбулентное перемешивание подавлено. Диффузионные масштабы времени и длины также не являются подходящими для обеспечения хорошего перемешивания. Таким образом, необходима разработка новых стратегий оптимизации перемешивания.

Использование результатов эксперимента для освоения космоса

Результаты исследований будут использоваться при проведении операций с жидкостями в космосе, в частности, в системах жизнеобеспечения.

Результаты

Основными задачами космического эксперимента ВИПИЛ являются:

    Установление фундаментальных закономерностей процессов, определяющих взаимодействие вибраций со смешивающимися бинарными жидкостями. Определение характеристик вибрационного перемешивания в системах смешивающихся несжимаемых ньютоновских жидкостей в условиях микрогравитации. Определение условий устойчивости поверхности раздела смешивающихся жидкостей при нормальных к поверхности раздела вибрациях в условиях микрогравитации. Установление закономерностей формирования структур на поверхности раздела смешивающихся жидкостей при касательных и нормальных к поверхности раздела вибрациях в условиях микрогравитации.

В настоящее время осуществляется подготовка космического эксперимента, включающая наземные эксперименты, эксперименты в условиях параболического полета и математическое моделирование. Цель этих работ – разработка научных требований к КА, выбор рабочих жидкостей и амплитудно-частотных характеристик вибраций. Одним из важных вопросов, исследуемых в ходе подготовки КА, является вопрос о восстановлении плоской поверхности раздела жидкостей после вибрационного эксперимента.

Публикации

D. V.Lyubimov, D. M.Popov, T. P.Lyubimova. Stability of Plane-Parallel Pulsational Flow of Two Miscible Fluids under High Frequency Horizontal Vibrations. Microgravity Sci. Technol. 2013, vol. 25, pp.231-236. G.Gandikota, S.Amiroudine, D.Chatain, T.Lyubimova, D.Beysens. Rayleigh and parametric thermo-vibrational instabilities in supercritical fluids under weightlessness. Physics of Fluids, vol.25, 064103 (2013) G. Gandikota, D. Chatain, S. Amiroudine, T. Lyubimova, D. Beysens. Frozen-wave instability in near-critical hydrogen subjected to horizontal vibration under various gravity fields. Phys. Rev. E 89, 012309 (2014) G. Gandikota, D. Chatain, S. Amiroudine, T. Lyubimova, D. Beysens. Faraday instability in a near-critical fluid under weightlessness. Phys. Rev. E 89, 013022 (2014). G. Gandikota, D. Chatain, T. Lyubimova, D. Beysens. Dynamic equilibrium under vibrations of H2 liquid-vapor interface at various gravity levels. Phys. Rev. E 89, 063003 (2014). T. Lyubimova, D. Beysens, G. Gandikota, S. Amiroudine. Vibration effect on thermal wave propagation in square cavity filled with incompressible fluid. Microgravity Science and Technology. 2014, vol.26, issue 1, pp.51-56.