Fluid Behavior in Zero Gravity

Abstract

The handling of fluids in the absence of gravity presents many problems. In this paper consideration is given to the zero-gravity spatial configuration of a wall wetting (zero contact angle) fluid which has given surface interface energy relationships (Y_SY ≥ Y_LS + Y_LV)_. For this model, which probably is correct for cryogenic fluids and stainless steel tanks, equilibrium predictions are made as follows:

• 1) The fluid will wet the tank wall and distribute itself so as to forma vapor space in the central portion of the tank.

• 2) The vapor space will be a sphere if a spherical shape can accommodate the volume of vapor present.

• 3) If too much vapor is present to be accommodated by a sphere, then a configuration will result such that surfaces backed by bulk liquid are of uniform curvature and other surfaces will be filmwetted tank walls.

• 4) The thickness of the film, on the “film-wetted” walls, will be of the order of a few hundred mμ under isothermal conditions.

• 5) The curvature of the bulk liquid surfaces will be uniform and will be greater than or equal to the curvature of any exposed film wet surface.

• 6) Tubes of diameter smaller than the tank diameter will fill with fluid.

• 7) There are shapes of baffles, etc. , which will act as a “wick” and cause the fluid to collect in a desired volume.

If temperature gradients on other nonequilibrium conditions exist, predictions are made as follows:

• 1) Mass rearangement to give the equilibrium configuration may occur by flow in the liquid phase and by evaporation from the one area and condensation in another. The rate of the latter method is limited by conductive heat transfer rate.

• 2) Moretime will be required to establish equilibrium in large containers than in small containers.

• 3) In the case of temperature gradients

  • a) The decrease in surface tension with increasing temperature will cause warm surfaces to be pulled toward colder surfaces.

  • b) The configuration of the gas bubble in the steady state may not be a sphere or a segment of a sphere because of the nonuniformity of its surface tension.

Résumé

Comportement des fluides pour une gravité nulle. La manipulation des fluides dans l’absence de gravité présente de multiples problèmes. Cet ouvrage traite de la configuration spatiale de gravité-zéro d’un fluide mouillant la paroi (angle de contact zéго) ayant pour relation énergétique surface-interface (Y_SY ≥ Y_LS + Y_LV). Les Prédictions d’équilibre pour l’exemple qui suit, lequeT est probablement exact pour les fluides cryogfènes et les réservoires d’acier inoxydable, se présentent comme il suit:

• 1) Le fluide mouillera la paroi du réservoir et s’y déversera vers le centre pour у former un espace vaporeux.

• 2) Cet espace vapor eux prendra la forme d’une sphfere si le volume de la vapeur pésente peut s’accomoder à une configuration splérique.

• 3) Si le volume de la vapeur est trop considérable pour prendre la for me de sphere, les surfaces vaporeuses limitées par la masse liquide éроизегоé alors des courbes uniformes tandis que les autres surfaces du éservoir demeureront des parois тоuШéев d un mince film liquide.

• 4) Sous des conditions isothermes, lépaisseur de ce film ne mesurera que quelques centaines de тц.

• 5) La courbure de la surface de la masse liquide sera uniforme, plus grande ou égale à celle de toute autre surface mouillée exposée.

• 6) Les tubes de diamfétre inférieur à celui du éservoir se rempliront de fluide.

• 7) Certaines formes de cloisons, etc.,agiront comme une mlche de sorte que le liquide s’y accumulera en un volume arbitraire.

S’il existe des gradients de température dans d’autres conditions de déséquilibre, on peut prévoir les réactions suivantes :

• 1) La modification de la masse établissant létat déquilibre peut se produire par déplacement sous forme liquide, par Evaporation dans un endroit et par condensation dans Fautre. Le régime de la dernifere mthode exposéе est limits par la rythme du transfert calorique conducteur.

• 2) Il faudra plus de temps pour établir léquilibre dans un grand que dans un petit éservoir.

• 3) Dans le cas de gradients de température :

  • a) Le décroissement de la tension de surface lorsque latempérature augmente produira un effet tel que les surfaces chaudes seront attirées vers les froides.

  • b) La forme de la bulle de gaz en état stable, à cause de I’irrégularité de sa tension de surface, pourrait bien ne pas btre une sphere ou m’me un segment splérique.

Абстрактный

Поведение ЖИДКОСТИ В условиях невесомости. При обращении с жидкостями в отсутствии гравитации возникает целый ряд проблем. В настоящем докладе уделено внимание невесомостной конфигурации жидкости в пространстве, смачивающей стенку резервуара, при конкретном угле, равном нулю. При этих условиях соотношение энергии между поверхностями будет выражаться следующей формулой: (Y_SY ≥ Y_LS + Y_LV) ДЛЯ этой модели, правильной, вероятно, для криогенных жидкостей и резервуаров из нержавеющей стали, можно сделать следующие предсказания равновесия:

1. Жидкость, смачивая стенку резервуара, распределится так, что в центральной части резервуара образуется пространство, заполненное парами жидкости (паровое пространство ). 2. Это паровое пространство будет сферическим, если сферическая форма в состоянии вместить объем наличного пара. 3. При наличии слишком большого количества паров, которое не помещается в сферическом пространстве, возникнет такая конфигурация, что поверхность, граничащая с наличной жидкостью, будет иметь однообразную кривизну, а другими., поверхностями будут стенки резервуара, смоченные пленкрй жидкости. 4. Толщина пленки смачивающей жидкости на "пленкообразно" смоченных стенках резервуара будет иметь толщину порядка нескольких сот при изотермических условиях. 5. Кривизна поверхности наличной жидкости будет однообразна и может быть равна или больше, чем кривизна любой открытой поверхности, смоченной пленкой жидкости. 6. Трубки диаметром меньше диаметра резервуара наполнятся жидкостью. 7. Существуют некоторые формы перегородок и т.д., действующие в качестве "фитиля" и вызывающие собирание жидкости в желаемом объеме. Если имеются температурные градиенты при прочих неравновесных условиях, то авторы делают следующие предсказания: 1. Перераспределение массы, дающее равновесную конфигурацию, может произойти в результате течения жидкой фазы и благодаря испарению ее в одном месте и конденсации в другом. Скорость последней лимитируется скоростью теплопроводности . 2. В крупногабаритных резервуарах потребуется больше времени для создания равновесия, чем в резервуарах меньшего размера. 3. При наличии температурных градиентов: а) уменьшение поверхностного натяжения при повышающейся температуре вызовет притяжение теплых поверхностей к более холодным; б) конфигурация пузырков газа при достигнутом стационарном режиме может оказаться не сферической или ввиде сегмента сферы неравномерного поверхностного натяжения.