SAJE

Ausgangssituation / Motivation

JEREMI ist ein japanisch-europäisches Weltraumexperiment (Japan European Research Experiment on Marangoni Instability), welches auf der ISS im Fluid Physics Experiment Facility (FPEF) des japanischen Moduls KIBO durchgeführt werden soll. Das Experiment, dessen Start für Ende 2019 geplant ist, wird gemeinsam von ESA und JAXA unterstützt. An dem Experiment sind Forscher:innen aus Belgien, Japan, Österreich, Spanien und Großbritannien beteiligt.

Inhalte und Zielsetzungen

Im JEREMI Experiment soll der Einfluß des Wärmetransports durch die Grenzfläche zwischen Flüssigkeit und Gas auf die Strömung in einer axisymmetrischen thermokapillaren Flüssigkeitsbrücke untersucht werden. Weiterer Untersuchungsgegenstand sind Partikelakkumulationsstrukturen.

Methodische Vorgehensweise

Die Mikrogravitationsbedingungen und die genau kontrollierte Gasströmung minimieren störende Auftriebseffekte und ermöglichen Messungen mit bisher nicht erreichter Benchmark-Qualität. Maßgeblich für alle vorgesehenen Experimente in JEREMI ist der kritische Punkt, an dem die stationäre axisymmetrische Strömung instabil wird und sich eine dreidimensionale umlaufende Welle in der Strömung bildet.

Der kritische Punkt entspricht einer kritischen Reynoldszahl der thermokapillaren Strömung, die von der Geometrie und insbesondere von den Bedingungen im umgebenden Gas abhängt. In dem Projekt soll die kritische Reynoldszahl und die Struktur der dreidimensionalen überkritischen Strömung mittels numerischer linearer Stabilitätsanalyse berechnet werden, da übliche numerische Simulationen zu ungenau sind oder zu lange Rechenzeiten erfordern würden.

Der Kern des numerischen Codes für die lineare Stabilitätsanalyse, MaranStable, wurde im Rahmen eines ASAP6-Projekts entwickelt.

Erwartete Ergebnisse

Ziel des Vorhabens ist die Nutzung und die Erweiterung des Codes. 

• Zum einen sollen numerische Daten berechnet werden, die von den JEREMI-Experimentator:innen benötigt werden. Durch vorherige Kenntnis des kritischen Punktes entfällt das zeitaufwendige Suchen des kritischen Bezugspunkts und erspart kostbare Experimentierzeit auf der ISS.
• Die berechneten numerischen Daten bilden eine wichtige Vergleichsbasis für die Messungen im Rahmen von JEREMI. Die so validierten Daten sollen neue Erkenntnisse zur Beeinflussung thermokapillarer Strömungen liefern, da die Unterdrückung zeitabhängiger Strömungen in technischen Anwendungen von großer Bedeutung ist.
• Die zu implementierenden Erweiterungen des Codes MaranStable liefern Aufschlüsse über den Einfluß möglicher Fehlerquellen (Verunreinigungen) und ermöglichen eine optische Korrektur gemessener Trajektorien suspendierter Partikel, die sich spontan zu kuriosen Mustern entmischen.
• Der numerische Code soll über eine graphische Benutzeroberfläche (GUI) bedienbar gemacht und Wissenschaftler:innen und Student:innen frei zur Verfügung gestellt werden.

Insgesamt dient das Projekt der Vorbereitung und Durchführung des JEREMI-Experiments, das neue Erkenntnisse zur Kontrolle thermokapillarer Strömungen liefern und das Phänomen der spontanen Entmischung von Partikeln in diesen Strömungen klären soll.

Projektleitung

TU Wien - Institut für Strömungsmechanik und Wärmeübertragung

TU Wien
Institut für Strömungsmechanik und Wärmeübertragung
Prof. Dr. Hendrik Kuhlmann
Getreidemarkt 9
A-1090 Wien