Numerical simulations of the DCMIX microgravity thermodiffusion experiments to assess the impact of typical International Space Station reboosting manoeuvres

Abstract

En aquesta tesi s'ha analitzat l'impacte que les maniobres vehiculars impulsives (reboostings) de l'Estació Espacial Internacional (ISS) tenen sobre els experiments de la sèrie DCMIX. En primer lloc, l'entorn microgravitatorio de la ISS ha estat analitzat utilitzant els senyals enregistrats per sensors situats en diferents mòduls de l'estació. Aquesta anàlisi ha permet determinar que el límit de vibració establert no es compleix permanentment, especialment durant els episodis de fortes pertorbacions com els reboostings. Aquestes maniobres aconsegueixen crear el major nivell d'acceleració mesurat en la ISS. Per això, els senyals d'acceleració detectades pels sensors durant aquests episodis han estat utilitzades per realitzar simulacions numèriques sota diferents condicions de microgravetat. Per això, s'ha implementat un nou “solver” basat en el programari obert, OpenFOAM, per resoldre numèricament els diferents problemes termodifusius en mescles ternàries, sota condicions d'acceleració en a funció del temps. Durant l'etapa termodifusiva dels experiments DCMIX, com més a prop estigui el reboosting del moment en què es mesura el camp de concentracions, més gran és l'error que s'obté en l'estimació dels coeficients de Soret. A més, el mètode emprat per quantificar el valor del camp de concentracions també pot afectar l'error. La solució analítica pot ser utilitzada abans de realitzar l'experiment, per analitzar la sensibilitat del sistema a l'acceleració. S'ha observat que la situació més perjudicial esdevé quan el reboosting es produeix en la direcció perpendicular al gradient de temperatura, obtenint un error del 64% en el valor dels coeficients difusius durant l'etapa de difusió pura de l'experiment.

En esta tesis se ha analizado el impacto que las maniobras vehiculares impulsivas (reboostings) de la Estación Espacial Internacional (ISS) tienen sobre los experimentos de la serie DCMIX. En primer lugar, el entorno microgravitatorio de la ISS ha sido analizado utilizando las señales registradas por sensores situados en diferentes módulos de la estación. Este análisis ha permitido determinar que el límite de vibración establecido no siempre se cumple, especialmente durante los episodios de fuertes perturbaciones como los reboostings. Estas maniobras consiguen crear el mayor nivel de aceleración medido en la ISS. Por ello, las señales de aceleración detectadas por los sensores durante estos episodios han sido utilizadas para realizar simulaciones numéricas bajo diferentes condiciones de microgravedad. Para ello, se ha implementado un nuevo “solver” en el programa de código abierto, OpenFOAM, para resolver numéricamente los diferentes problemas termodifusivos en mezclas ternarias, con condiciones de aceleración en función del tiempo.

Durante la etapa termodifusiva de los experimentos DCMIX, cuanto más cerca ocurre el reboosting del momento en que se mide el campo de concentraciones, mayor es el error que se obtiene en la estimación de los coeficientes de Soret. Además, el método empleado para cuantificar el valor del campo de concentraciones también puede afectar el error. La solución analítica puede ser utilizada antes de realizar el experimento, para analizar la sensibilidad del sistema a la aceleración. Se ha observado que la situación más perjudicial se da cuando el reboosting se produce en la dirección perpendicular al gradiente de temperatura, pudiéndose obtener un error del 64% en el valor de los coeficientes difusivos durante la etapa de difusión pura del experimento.

In this thesis, the impact of the ISS reboosting manoeuvres on the DCMIX experiments has been investigated. First of all, the microgravity environment of the ISS has been analysed using the signals recorded by the sensors located in different modulus of the station. This analysis has found out that the vibratory limit requirements are not always accomplished, especially during strong disturbances such as reboostings. These manoeuvres promote the largest level of acceleration onboard the ISS. Therefore, accelerometric signals recorded during reboostings have been used to perform numerical simulations under different reboosting scenarios. A new solver implemented in the open source software OpenFOAM, for solving numerically the different thermodiffusion problems in ternary mixtures, with the gravity as a function of time has also been developed.

During the thermodiffusive step of the DCMIX experiments, the closer the reboostings occurs to the moment of measuring the concentration field, the larger the error in the estimation of the Soret coefficients. Also, the method used for quantifying the concentration field can affect the error. The analytical solution can be used in advance, to analyse the sensitivity of the system to the acceleration. The reboosting acting in a direction perpendicular to the temperature gradient has been proven to be the most harmful acting direction, giving an error up to 64% when calculating the diffusion coefficients during the pure diffusive step of the experiment.