авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Нестационарная концентрационная конвекция марангони в вертикальных слоях жидкости

На правах рукописи

Денисова Мария Олеговна

НЕСТАЦИОНАРНАЯ КОНЦЕНТРАЦИОННАЯ КОНВЕКЦИЯ

МАРАНГОНИ В ВЕРТИКАЛЬНЫХ СЛОЯХ ЖИДКОСТИ

Специальность 01.02.05 – Механика жидкости газа и плазмы

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

Пермь – 2013

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте механики сплошных сред Уральского отделения Российской академии наук

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук, доцент Костарев Константин Геннадьевич

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор Пшеничников Александр Федорович кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник, Ермаков Михаил Константинович

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Пермский государственный национальный исследовательский университет»

Защита состоится 16 мая 2013 г. в часов на заседании диссертационного совета Д 004.012.01 в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институ те механики сплошных сред Уральского отделения Российской академии наук по адре су: 614013, Россия, г. Пермь, ул. Академика Королева, 1;

тел: (342) 2378314;

факс:

(342) 2378487;

сайт: www.icmm.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного учреждения науки Институте механики сплошных сред Уральского отде ления Российской академии наук Автореферат разослан «» апреля 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук Березин И.К.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Диссертационная работа посвящена экспериментальному исследованию конвекции Марангони в жидкостях с границей раздела фаз. Причиной движения является дейст вие капиллярных сил, возникающих как отклик системы на неоднородное распределе ние поверхностного натяжения. В большинстве случаев капиллярный механизм дви жения активно взаимодействует с гравитационным. При снижении интенсивности гра витационной конвекции в результате уменьшения объема жидкости или вертикального размера полости, а также в условиях микрогравитации капиллярные силы выходят на передний план и определяют как структуру течения, так характер тепломассопереноса.

Объектом исследования в диссертации является капиллярная конвекция, вызванная локальным изменением концентрации поверхностно-активных веществ (ПАВ). Поми мо вносимых ПАВ, состав и концентрация которых задается в эксперименте, в системе всегда содержится малое количество неконтролируемых ПАВ, в роли которых для од нокомпонентной жидкости выступают ее примеси, а также вещества, поступающие из контактирующей (газовой или жидкой) фазы в виде отдельных молекул и нераствори мых частиц (пыли). Неконтролируемые ПАВ еще до начала опыта создают на межфаз ной поверхности адсорбционную пленку, уменьшающую величину поверхностного на тяжения, что приводит к снижению интенсивности конвекции Марангони. При относи тельно медленном создании градиента поверхностного натяжения адсорбированные молекулы и частицы могут перераспределиться вдоль поверхности жидкости, компен сируя его действие и тем самым препятствуя возникновению капиллярного движения.

Актуальность работы обусловлена широким участием конвекции Марангони во многих технологических процессах, основанных на тепломассообмене в многофазных средах, в том числе и в условиях микрогравитации. Так, формирование капиллярного движения является общепризнанным методом интенсификации экстракции, испарения и охлаждения. Однако правильной оценке вклада капиллярной конвекции препятствует отсутствие количественных данных о влиянии неконтролируемых примесей жидкости, что не позволяет с достаточной точностью предсказать момент «включения» и интен сивность действия капиллярных сил. Как следствие, уменьшается эффективность при менения результатов теоретических исследований. Отсутствие методов управления влиянием адсорбционной пленки вносит элемент неопределенности при проведении эксперимента и снижает воспроизводимость результатов. В первую очередь, это каса ется экспериментов с водой, которая часто используется в качестве рабочей жидкости.

Приведенные в диссертации результаты экспериментальных исследований имеют большое значение в фундаментальном плане, так как в виду малых масштабов (узкие каналы, тонкие слои, капли и пузырьки) реальная структура и эволюция конвекции Марангони в задачах микрофлюидики изучена слабо. Практически неосвещенным ос тается вопрос об особенностях концентрационно-капиллярного течения в растворах ПАВ с различной поверхностной активностью. На исследование этих проблем и на правлена диссертационная работа.

Целью работы является определение условий возникновения концентрационной конвекции Марангони в системах с межфазной поверхностью. Основное внимание уделено выяснению причин порогового развития капиллярного движения на свобод ной/межфазной поверхности воды и водных растворов ПАВ, а также анализу особен ностей конвективного движения, обусловленных этим явлением.

Научная новизна работы. Впервые показано, что адсорбционная пленка поверх ностно-активных примесей является главной причиной порогового возникновения капиллярной конвекции на поверхности жидкости в полостях с малым поперечным размером ( 1 см). Определены зависимости критического (порогового) перепада концентрации ПАВ от его содержания в базовой жидкости, способа и направления его внесения, физико-химических свойств ПАВ, степени очистки жидкостей, размера свободной поверхности. Исследовано распространение концентрационного поля в объеме и на поверхности жидкости при локальном внесении ПАВ. Установлена связь между пороговым значением диффузионного числа Марангони и количеством мети леновых групп в молекулах ПАВ из числа гомологических рядов кислородосодержа щих органических соединений.

Кроме того, впервые подробно исследован механизм формирования колебательно го режима течения вблизи неподвижных пузырьков и капель, расположенных в гори зонтальном канале с неоднородным раствором ПАВ. Описаны причины зависимости периода колебаний от времени, средней концентрации раствора в канале, поверхно стной активности ПАВ.

Практическое значение. Результаты диссертационной работы могут быть учтены при оценке влияния примесей жидкости на возникновение и развитие капиллярного движения, также его взаимодействие с гравитационным течением. Использование аналогии между концентрационно- и термокапилярными эффектами открывает воз можность существенного расширения области применения полученных данных для повышения эффективности технологических процессов в многофазных средах, вклю чив в рассмотрение неизотермические ситуации. Результаты выполненного лабора торного исследования концентрационно-капиллярных явлений могут быть также ис пользованы при разработке и анализе космических экспериментов по изучению теп ломассопереноса в системах жидкостей с межфазной границей.

На защиту выносятся следующие основные результаты работы:

результаты экспериментального исследования конвекции Марангони при локаль ном внесении ПАВ на горизонтальную свободную поверхность, включая:

а) описание структуры и эволюции течений и полей концентрации ПАВ;

обнаруже ние порогового возникновения концентрационно-капиллярной конвекции и объяс нение причин этого эффекта;

б) определение зависимости порогового перепада концентрации ПАВ от его содер жания в базовой жидкости, направления внесения ПАВ, уровня очистки жидкостей и подготовки кюветы, физико-химических свойств ПАВ, включая его поверхност ную активность;

в) установление зависимости порогового перепада концентрации от поперечного размера свободной поверхности и ее кривизны;

г) определение зависимости времени запаздывания развития капиллярного движе ния от концентрации вносимого ПАВ и размера свободной поверхности;

результаты экспериментального исследования колебательных режимов концентра ционной конвекции вблизи неподвижных пузырьков и капель, перегораживающих горизонтальный прямоугольный канал малого сечения, заполненный неоднород ным раствором ПАВ, включая:

а) описание динамики течений и полей концентрации ПАВ, порогового характера возникновения концентрационно-капиллярной конвекции вблизи вертикальной свободной/межфазной поверхности;

б) описание механизма влияния формы межфазной поверхности на период колеба тельного движения;

в) определение зависимости критического значения числа Марангони от средней концентрации ПАВ на поверхности пузырька;

а также зависимости периода ос цилляций от физико-химических свойств ПАВ и расстояния от края канала;

результаты определения и сопоставления зависимостей пороговой концентрации и критических чисел Марангони для горизонтальной и вертикальной свободной по верхности жидкости для гомологических рядов одноатомных спиртов и карбоно вых кислот.

Достоверность результатов обеспечена тщательной разработкой методик выпол ненных экспериментов, высокой точностью применяемого интерференционного ме тода, а также согласием полученных данных с результатами теоретических и экспе риментальных исследований по близкой тематике.

Апробация работы. Основные результаты, приведенные в диссертации, доклады вались на IX и X Всерос. съездах по теоретической и прикладной механике (Нижний Новгород, 2006, 2011);

7th World Conf. on Experimental Heat Transfer, Fluid Mechanics and Thermodynamics (Krakow, Poland, 2009);

II, III и IV Всерос. конф. «Задачи со сво бодными границами: теория, эксперимент и приложения» (Бийск, 2005, 2008, 2011);

XV, XVI, XVII и XVIII Зимних школах по механике сплошных сред (Пермь, 2007, 2009, 2011, 2013);

38-й и 40-й Школе-конф. «Advanced Problems in Mechanics» (Репино, 2010;

Санкт Петербург, 2012);

11th National Congress on Theoretical and Applied Mechan ics (Borovets, Bulgaria, 2009);

Fourth Int. Topical Team Workshop «Two-phase systems for ground and space applications» (Novosibirsk, 2009);

5th Conf. of International Marangoni Association (Florence, Italy, 2010);

Всерос. конф. молодых ученых «Неравновесные про цессы в сплошных средах» (Пермь, 2005, 2006, 2007, 2008). IUTAM Symposium on Waves in Fluids: Effects of nonlinearity, Rotation, Stratification and Dissipation (Москва, 2012). Полностью диссертация обсуждалась на Пермском гидродинамическом семина ре им. Г.З. Гершуни и Е.М. Жуховицкого (рук. проф. Т.П. Любимова) и на научном се минаре ИМСС УрО РАН (рук. акад. РАН В.П. Матвеенко).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 34 работы, включая 3 статьи в журналах из списка ВАК и Web of Science [1–3], 11 статей в трудах конференций раз личного уровня и сборниках научных статей [6–16], 18 тезисов. В этих работах экспе риментальные исследования и обработка результатов выполнены диссертантом, об суждение и анализ осуществлен совместно с научным руководителем диссертацион ной работы и соавторами.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заклю чения, списка литературы (180 наименований). Работа содержит 60 рисунков и 2 таб лицы. Общий объем диссертации 150 страниц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обсуждаются актуальность и новизна исследования, сформулирована цель диссертации, представлено краткое содержание работы;

перечислены получен ные новые результаты, описано их практическая значение и апробация.

Первая глава диссертационной работы носит обзорный характер. Приведены ос новные экспериментальные и теоретические результаты, касающиеся истории изуче ния поверхностных явлений. Описаны этапы формирования исследований капилляр ных явлений как отдельного направления гидродинамики. Представлены актуальные исследования последнего десятка лет. Основное внимание уделено трем направлениям, наиболее близким к тематике диссертации. В частности, проанализированы работы, посвященные экспериментальному изучению концентрационно-капиллярной конвек ции, а также исследованиям колебательных режимов конвекции Марангони и влияния поверхностно-активных примесей на развитие и структуру капиллярных течений.

Вторая глава диссертации посвящена экспериментальному исследованию разви тия концентрационной конвекции Марангони на горизонтальной свобод ной/межфазной поверхности жидкости при внесении микрокапли раствора ПАВ [2].

В разделе 2.1 дано описание экспериментальной установки и методики измерений.

Для опытов использовались кюветы в виде вертикальных прямоуголь ных полостей размером 59 см и толщиной b от 0.12 до 2.0 см, изго товленные из плоскопараллельных стекол, которые при надлежащей настройке создавали рабочую ячей ку интерферометра Физо (рис. 1).

Рис. 1. Схема экспериментальной установки:

Применение интерференционного 1 – лазер;

2 – микрообъектив;

3 – полупрозрачное зер метода позволило визуализировать кало;

4 – объектив-коллиматор;

5 – интерференционная структуру полей концентрации и ячейка;

6 – вносимая капля раствора ПАВ;

течений (числа Шмидта Sс~103), а 7 и 8 – видеокамеры также проследить их эволюцию.

Основная серия опытов выполнена для свободной поверхности воды и водных рас творов спиртов, а также для межфазной поверхности в двухслойных системах «вода циклогексан» и «вода хлорбензол». Выбор воды обусловлен тем, что она в силу своей высокой поверхностной энергии создает условия для максимальной адсорбции примесей, растворенных в объеме. Развитие конвекции Марангони вызывается ло кальным внесением малой дозы ПАВ (5 мкл) с концентрацией Сd на поверхность рас твора с меньшей концентрацией Cs. В качестве ПАВ выбраны младшие (водораство римые) члены гомологического ряда одноатомных спиртов CNH2N+1OH с количеством метиленовых групп СН2 от 1 до 8. В дополнительной серии опытов использован ряд карбоновых кислот CNH2N+1СОOH. Применение гомологов позволяет целенаправлен но варьировать поверхностные свойства ПАВ [3].

Все используемые жидкости являются ньютоновскими, соответственно, пороговый характер развития конвекции Марангони может быть обусловлен только реологией свободной поверхности. Появление у нее «неньютоновских» свойств логичнее всего связать с наличием на ней пленки поверхностно-активных примесей (Поверхностно активные вещества: свойства и применение / под ред. А.А. Абрамзона. 2-е изд., пере раб. и доп. Л.: Химия, 1981. 304 с.), концентрация которых обусловлена уровнем очи стки жидкости, а также степенью подготовки кюветы. Соответственно, вариация этих параметров должна привести к изменению величины порога по концентрации.

В разделе 2.2 описаны результаты экспериментов по возбуждению капиллярной конвекции на свободной горизонтальной поверхности воды. Представлено несколько серий интерферограмм, отра жающих эволюцию полей кон центрации и течений при введе нии капли раствора изопропило вого спирта. Показано, что вели чина порога существенно зависит от направления введения капли в связи с созданием различных ус ловий для возникновения капил лярной конвекции. Так, при вве дении капли со стороны газа (рис. 2, а–г) ПАВ сразу попадает на свободную поверхность жид кости, но при этом поверхность деформируется, что может по служить поводом для досрочного развития конвекции Марангони.

Рис. 2, а–б демонстрирует рас- Рис. 2. Эволюция поля концентрации при внесении капли творение капли ПАВ без возбуж- раствора изопропилового спирта на поверхность дистил лированной воды: со стороны газа при Cd = 5 %, время дения капиллярного движения.

В случае введения капли со с момента касания t, с: 0.4 (а), 6.7 (б) и при Cd = 6 %, t, с: 0.2 (в), 0.3 (г);

со стороны жидкости при Cd = 12 %, стороны жидкости поверхность t, с: 0.8 (д), 2.6 (е);

толщина кюветы b = 0.12 см остается невозмущенной, но в этой ситуации капля не имеет собственной границы и поэтому всплывает в виде дос таточно широкой струи, частично растворяясь, что снижает вероятность возникнове ния конвекции Марангони (рис. 2, д–е). Как результат, для создания условий развития капиллярного движения требуется значительно повысить содержание спирта в капле (примерно в 2 раза). Изменяется и структура капиллярного течения.

В разделе 2.3 определены условия возникновения конвекции Марангони на сво бодной поверхности воды и водных растворов спиртов. Величина порога C* вводит ся как перепад между начальными концентрациями спирта в капле и в объеме воды (C* = Cd – Cs). Получены и проанализированы зависимости C* = f (Cs) и C* = f (b) для разных степеней очистки воды и различного направления введения капли. В дальнейшем – с целью обобщения результатов – C* пересчитан в критический пере пад поверхностного натяжения (рис. 3). Из рис. 3, а хорошо видно, что сущест венно зависит от концентрации спирта в растворе, достигая максимального значения при его минимальном содержании. Сравнение кривых 1 и 2 показывает, что увеличение степени предварительной очистки воды и стенок кюветы уменьшает. Величина критического перепада поверхностного натяжения убывает и при внесении капли ПАВ со стороны газа (кривая 3). Во всех рассмотренных случаях беспорогового раз вития концентрационно-капиллярной конвекции достигнуть не удается. Величина критического перепада поверхностного натяжения быстро возрастает с уменьшением поперечного размера поверхности и степени очистки воды (рис. 3, б).

а б Рис. 3. Зависимость критического перепада поверхностного натяжения: (а) от содержания изопро пилового спирта в воде для различных степеней ее очистки: 1– дистиллят, 2, 3 – деионизированная вода (введение капли со стороны жидкости (1, 2) и газа(3)), b = 0.38 см;

(б) от толщины кюветы для различных степеней очистки воды (Cs = 0): 2 – дистиллят, 1, 3 – деионизированная вода (введе ние капли со стороны жидкости (1) и газа (2, 3)) Результаты, полученные в эксперименте с кюветами различной толщины, подтвер ждаются в опытах с кюветой, в которой изменение площади свободной поверхности происходило из-за вариации величины мениска. Обнаружено, что отсутствие мениска (величина свободной поверхности минимальна) заметно увеличивает порог по кон центрации, в то время как появление мениска (независимо, выпуклый он или вогну тый) уменьшает величину порога.

В разделе 2.4 исследовано поведение еще одного параметра, связанного с суще ствованием адсорбционной пленки, – вре мени запаздывания (рис. 4), представляю щего собой временной интервал между моментом визуального касания свободной поверхности жидкости всплывающей стру ей ПАВ и началом конвекции Марангони.

Введенный параметр отражает время диф фузионного выхода контролируемого ПАВ на поверхность и формирования его гради ента вдоль поверхности жидкости, необхо димого для развития капиллярного движе ния. Обнаружено, что время запаздывания Рис. 4. Зависимость времени запаздывания от быстро уменьшается с ростом величины перепада концентрации изопропилового спирта:

перепада концентрации ПАВ, а так же с 1 – между каплей и раствором на основе деио низированной воды (C = Cd – Cs), 2 – между увеличением поперечного размера сво каплей и деионизированной водой (C = Cd );

бодной поверхности.

b = 0.38 см В разделе 2.5 обсуждается эволюция концентрационного поля на поверхности и в объеме жидкости при развитии капил лярного течения. В исследуемых системах жидкостей диффузионное время много больше вязкого времени, поэтому концентрация ПАВ в элементе жидкости практиче ски не изменяется при его движении. Это позволяет по эволюции концентрационного поля восстановить структуру течения и его линейный масштаб. Для описания движе ния введено две величины: 1) размер конвективной ячейки L как продольного раз мера концентрационного поля, возникающего в объеме базовой жидкости при введе нии капли ПАВ;

2) положение границы поля концентрации на свободной поверхно сти. Получены и проанализированы зависимости этих величин от времени для разных направлений введения капли и концентрациях спирта в капле и в растворе. При вве дении капли с концентрацией ПАВ выше пороговой в дистиллированную воду со стороны газовой фазы обнаружено существенное различие в изменении данных вели чин со временем (в зависимости от стадии развития капиллярного движения), особен но в узких (~0.1 см) кюветах (рис. 5). Напротив, в случае введения капли с концен трацией выше пороговой со стороны жидкой фазы положение границ конвективной ячейки и поля концентрации на свободной поверхности совпадает на всех этапах, как, например, при введении капли в раствор изопропилового спирта на основе дистилли рованной воды (рис. 6).

Рис. 5. Зависимость размера конвективной Рис. 6. Зависимость размера конвективной ячей ячейки (1–2) и положения верхней границы по- ки от времени с момента введения капли в рас ля концентрации (3–4) от времени с момента твор спирта на основе дистиллированной воды введения капли раствора изопропилового спир- со стороны жидкой фазы;

b = 0.38 cм;

та на свободную поверхность дистиллирован- Сd /Сs: 10/0 (1);

9/1(2);

7/4 (3);

10/7(4);

12/10 (5) ной воды со стороны газовой фазы;

b = 0.12 см;

Сd, % = 6 (1 и 3), 7 (2 и 4) В обеих рассмотренных ситуациях по завершению капиллярного движения наблюда ется возвратное движение оттесненной адсорбционной пленки в результате восстанов ления величины локального поверхностного натяжения за счет растворения ПАВ в объ еме рабочей жидкости. При этом в растворах спирта по мере увеличения его содержания амплитуда изменения положения границы поля концентрации со временем снижается благодаря исходному частичному растворению адсорбционной пленки примесей.

Укажем, что аналогичное возвратное движение свободной поверхности жидкости также наблюдалось в экспериментах по изучению колебательных режимов течения от затопленного источника плохо растворимого ПАВ (Mizev A.I., Birikh R.V. Interaction between the buoyant and solutocapillary convections induced by surface-active source placed under a free surface // EPJ ST. 2011. V. 192. P. 145–154).

В разделе 2.6 описано развитие капиллярной конвекции при введении капли рас твора ПАВ на межфазную границу двухслойных систем воды с циклогексаном и хлорбензолом, а также на свободную поверхность последних. В качестве ПАВ ис пользовались изопропиловый спирт и уксусная кислота. Несмотря на то, что цикло гексан и хлорбензол являются сильными растворителями, в том числе и для предпо лагаемых примесей воды, ни в одной из серии этих опытов не было зафиксировано беспорогового возникновения конвекции Марангони (рис. 7). Более того, показано, что вода является хорошим растворителем для примесей хлорбензола.

Рис. 7. Интерферограммы поля кон центрации при внесении капли раство ра изопропилового спирта в хлорбен золе:

на свободную поверхность хлорбензо ла при Сd = 5 %, t, с: 1.7 (а) и при Сd = 6 %, t, с: 3.4 (б);

на межфазную поверхность воды и хлорбензола со стороны хлорбензола при Сd = 2 %, t, с: 2.6 (в) при Сd = 3 %, t, с: 2.1 (г);

толщина кюветы b = 0.38 см Интерферограммы поля концентрации при внесении капли водного раствора уксусной кислоты на межфазную по верхность воды и хлорбензола со сто роны воды при Сd = 1 %, t, с: 0.8 (д);

и при Сd = 2 %, t, с: 1.6 (е);

b = 0.38 см В разделе 2.7 излагаются результаты хроматографического анализа состава приме сей, извлеченных из воды разной степени очистки. Как следует из хроматограмм, об наруженные примеси представляют собой значительную группу органических соеди нений, крайне слаборастворимых в воде и имеющих низкое поверхностное натяже ние. Большая часть их относится к алканам и фталатам, растворимым в изопропило вом спирте и способным создавать конденсированные пленки на поверхности воды.

В разделе 2.8 исследовано влияние поверхностной активности ПАВ на возникно вение капиллярной конвекции. С этой целью в качестве ПАВ использован ряд одно атомных спиртов и карбоновых кислот. Подробно описаны особенности развития конвекции при введении водных растворов амилового спирта и уксусной кислоты.

Обнаружено, что величина порога по концентрации сильно зависит от поверхностной активности ПАВ, которая, в свою очередь, определяется количеством метиленовых групп СН2 в его молекуле. Зависимости пороговой концентрации и критического зна чения числа Марангони Ma от количества метиленовых групп N представлены на рис. 8 ( Ma с ДCd D, где с C, d – диаметр капли;

D – коэффициент диффу зии спирта в воде;

– динамическая вязкость воды). Из рис. 8, а видно, что увеличе ние длины молекулы на пять метиловых групп (переход от метанола к гексанолу) приводит к снижению пороговой концентрации в сорок раз. В то же время получен ные для данных спиртов критические значения числа Марангони остаются в пределах одного порядка (107) (рис. 8, б). Наличие слабой зависимости Ma от N объясняется как отсутствием явного учета изменения соотношения коэффициентов адсорбции десорбции, так и изменением способности ПАВ с ростом длины его молекулы к рас творению пленки неконтролируемых примесей.

а б Рис. 8. Зависимость пороговой концентрации (а) и критического значения числа Марангони (б) от количества метиленовых групп в молекуле ПАВ: 1 – введение спирта на горизонтальную по верхность воды со стороны газа, b = 0.38 см;

2 – введение кислоты на поверхность воды со сторо ны газа, b = 0.38 см;

3 – подток «языка» спирта к вертикальной поверхности пузырька в канале (Глава 3), b = 0.12 см Раздел 2.9 посвящен краткому изложению теоретической модели, предложенной проф. Р.В. Бирихом (ПГГПУ, г. Пермь) для описания порогового возникновения кон центрационно-капиллярной конвекции. Показано, что наибольшее совпадение ре зультатов физического и численного экспериментов происходит при представлении поверхности жидкости как отдельной фазы, обладающей свойствами вязкопластиче ской жидкости с предельным сдвиговым напряжением (Поверхностные явления и по верхностно-активные вещества / под ред. А.А. Абрамзона. Л.: Химия, 1984. 292 с).

Третья глава посвящена изучению концентрационно-капиллярных течений, воз никающих вблизи неподвижных капель и пузырьков, перегораживающих протяжен ный горизонтальный канал прямоугольного сечения (случай практически вертикаль ной межфазной границы).

В разделе 3.1 дано описание экспериментальной кюветы и методики проведения эксперимента. В качестве кюветы выбрана вертикальная ячейка Хеле-Шоу с толщиной зазора b = 0.12 см (рис. 9). Параллельными вкладышами в ней образован канал длиной l* = 3.5 см и высотой h* = 0.24 см. В качестве рабочих жидкостей выбраны вода (дис тиллированная либо деионизированная), водные растворы одноатомных спиртов, иг рающих роль ПАВ;

а также хлорбензол, используемый для создания капли. Основная серия опытов выполнена с изопропиловым спиртом, изменение концентрации которо го в воде на 0.27 %, а в хлорбензоле – на 0.1 %, приводило к появлению одной од нотонной полосы на интерференционной картине канала. Перед началом опыта кю вета на 2/3 заполнялась водой, поверх ко торой доливался раствор спирта с концен трацией С0. Между спиртом и водой фор мировалась узкая диффузионная зона. В канал устанавливался пузырек или капля, после чего начинался слив воды через трубку 4 вплоть до момента поступления спирта в канал. Со временем поток его раствора в форме «языка» (рис. 10, а) дос Рис. 9. Схема кюветы: 1 – водный раствор тигал поверхности жидкого/газового спирта (ПАВ);

2 – пузырек воздуха/капля;

включения, провоцируя развитие капил- 3 – деионизированная вода;

4 – трубка для сли лярной конвекции. ва;

5 – отверстие для создания пузырька/капли В разделе 3.2 изложены результаты ис следования колебательных режимов концентрационной конвекции вблизи поверхности капли. Показано (рис. 10, б), что спирт успевает до начала развития капиллярного дви жения не только достигнуть поверхности капли, но и продиффундировать сквозь нее.

Проникнув в каплю хлорбензола, менее плотный спирт провоцирует развитие гравита ционной конвекции. Лишь затем – одновременно в капле и в растворе – «вспыхивает»

интенсивное капиллярное движение (спустя t ~ 1 мин с момента касания капли «язы ком» ПАВ и при создании на ее поверхности перепада концентрации спирта C* ~ 4 % со стороны водного раствора и Cd* ~ 0.3 % со стороны капли). Формируются две замкнутые вихревые ячейки, симметричные относительно границы раздела фаз (рис. 10, в). Будучи легче окружающего раствора, они всплывают, при этом одна из них оттесняет «язык» спирта от капли. В результате вихревое течение резко прекра щается и начинается относи тельно медленное восстанов ление вертикальной страти фикации по концентрации ПАВ под действием архиме довой силы (рис. 10, г). Далее спирт вновь касается поверх ности капли, что практически мгновенно (t ~ 0.25 с при достижении C* ~ 0.3 %) вы зывает повторную «вспыш ку» интенсивной капилляр Рис. 10. Эволюция поля концентрации вблизи границы капли ной конвекции. Описанный хлорбензола в неоднородном растворе изопропилового спирта цикл многократно повторяет на основе дистиллированной воды. С0 = 40 %, t, с = 0 (а);

ся с постепенным приближе 60 (б);

61 (в);

72 (г) нием средней концентрации ПАВ в капле к ее равновесному значению, которое определяется концентрацией ок ружающего раствора.

На рис. 11 представлена зависимость пе риода осцилляций течения раствора ПАВ вблизи капли от времени. В качестве пе риода принят интервал времени между на чалом капиллярной конвекции в двух со седних циклах. Анализ интерферограмм позволяет предположить, что главной при чиной наблюдаемой «перемежаемости»

длительности циклов является формирова ние застойной зоны течения с высоким со держанием ПАВ вблизи нижней части кап ли вследствие кривизны ее поверхности.

Сделанное предположение подтверждено в опыте с каплей, имеющей вертикальную свободную границу с вогнутым мениском, исключающим формирование застойной Рис. 11. Зависимость периода осцилляций тече ния от времени вблизи капли хлорбензола в ка- зоны. В данной ситуации период изменяет нале с неоднородным раствором изопропилово- ся со временем монотонно.

го спирта, С0 = 40 % В разделе 3.3 изучен ряд особенностей эволюции колебательного режима концен трационной конвекции вблизи пузырька, перегораживающего канал с водой, в кото рой распространяется неоднородный рас твор ПАВ [1, 4]. Так, в подразделе 3.3. показано, что каждый новый цикл капил лярной конвекции начинается при дости жении порогового перепада поверхност ного натяжения, соответствующего теку щему значению Csi средней концентрации ПАВ вблизи пузырька. На рис. 12. пред ставлены значения критического числа Марангони (кривые 1–2), при которых происходили очередные «вспышки» ка пиллярной конвекции на протяжении все го колебательного режима в зависимости от снижения поверхностного натяже ния раствора по сравнению с поверхност ным натяжением воды ( = Н2О – Csi). Рис. 12. Зависимость критического числа Маран гони от снижения поверхностного натяжения:

Вычисление чисел Марангони в данном для пузырьков в моменты начала циклов капил случае проводится по формуле лярной конвекции: 1 – этанол, 2 – изопропанол;

Ma* c C *h* ( D), где c C при для пузырьков на первом цикле в растворах текущем значении среднем концентрации;

ПАВ различной начальной концентрации:

3 – этанол, 4 – изопропанол, штриховая линия – С* – вертикальный перепад концентра- общая для них кривая ции между полюсами пузырька в моменты времени, соответствующие началу «вспышек» капиллярной конвекции. Для подтвер ждения связи между концентрацией раствора вблизи поверхности пузырька и вели чиной порогового значения числа Марангони была проведена серия опытов с исполь зованием в качестве базовой жидкости однородных растворов этилового и изопропи лового спиртов с Сs0 от 1 до 8 %. По полученным данным определены пороговые чис ла Марангони (кривые 3–4), соответствующие моменту возникновения первого цикла.

Как можно видеть, значения Mа*, полученные в различных опытах и условиях, оказа лись достаточно близки по величине, а качественный вид всех кривых хорошо согла суется между собой.

В подразделе 3.3.2 иссле дована эволюция течения вблизи пузырька воздуха в растворах малых начальных концентраций C0 метилового, изопропилового и амилового спиртов. Использование не скольких ПАВ одного гомо логического ряда позволило проанализировать влияние по верхностной активности ПАВ на развитие колебатель ного режима. Сравнение ин терферограмм показало, что для всех спиртов возникнове ние конвекции Марангони на блюдалось при концентрациях ПАВ, выше некоторой крити ческой (рис. 13, д–з). При Рис. 13. Эволюция поля концентрации изопропилового спирта вблизи пузырька воздуха в растворе с С0 = 5 %;

t, с = 0 (а), C C* распространение 13 (б), 30 (в), 105 (г);

и с С0 = 6 %, t, с = 15 (д), 15,28 (е), неоднородного раствора ПАВ 17 (ж), 22 (з) вдоль боковой поверхности пузырька происходило без развития капиллярного движения и, как следствие, без уста новления колебательного режима течения (рис. 13, а–г).

На примере опытов с изопропиловым спиртом выполнен подробный анализ эво люции колебательного режима.

Для метилового, изопропилового и амилового спиртов C* оказалось соответст венно равным 6.7 %, 3.5 % и 0.25 % (кривая 3 на рис. 8, а). Соответствующие крити ческие значения числа Марангони представлены на рис. 8, б (кривая 3). В данном случае числа Марангони определены по формуле Ma c C * (bh* )0.5 ( D). Как видно из рис. 8, вид зависимостей, полученных для случая локального внесения ПАВ как на горизонтальную, так и на вертикальную поверхность жидкости, является достаточно универсальным.

В заключении представлены основные результаты диссертационной работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ В ходе экспериментального исследования определены условия возникновения кон центрационной конвекции Марангони на малых по размеру свободной или межфаз ной поверхности жидкости. В частности:

визуализирована структура и изучена эволюция течений и полей концентрации ПАВ;

обнаружено пороговое развитие концентрационно-капиллярной конвекции как на поверхности воды, так и на поверхности органических жидкостей высокой степени очистки;

показано, что причиной порогового возникновения конвекции Марангони являются поверхностно-активные примеси, адсорбированная пленка которых придает по верхности ньютоновской жидкости «неньютоновские» свойства;

в случае локального внесения ПАВ на горизонтальную поверхность жидкости об наружено, что величина порогового перепада концентрации быстро возрастает с уменьшением первоначального содержания ПАВ в жидкости и поперечного разме ра ее поверхности, а также при снижении степени очистки жидкости от примесей;

обнаружено, что время запаздывания уменьшается с ростом величины перепада концентрации ПАВ, а так же с увеличением поперечного размера свободной по верхности;

в случае вертикальной межфазной поверхности, контактирующей с неоднородным раствором ПАВ, показано, что возникающее капиллярное движение имеет колеба тельный характер, причем его возобновление на каждом цикле происходит при пре вышении порогового числа Марангони, определяемого текущим значением средней концентрации ПАВ вблизи поверхности;

обнаружено, что независимо от ориентации поверхности жидкости пороговый перепад концентрации быстро уменьшается с увеличением числа метиленовых групп в молеку ле ПАВ (примерно в сорок раз при увеличении молекулы на пять метиленовых групп), а величина критического числа Марангони остается в пределах одного порядка (107).

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ 1. Бушуева К.А., Денисова М.О., Зуев А.Л., Костарев К.Г. Возникновение течения у поверхности пузырьков и капель в градиентном растворе поверхностно активной жидкости // Коллоидный Журнал. – 2008. – Т. 70, № 4. – С. 457–463.

2. Mizev A., Denisova M., Kostarev K., Birikh R., Viviani A. Threshold onset of Ma rangoni convection in narrow channels // EPJ Special Topics. – 2011. – V. 192. – P. 163–173.

3. Бирих Р.В., Денисова М.О., Костарев К.Г. Возникновение конвекции Маранго ни, вызванной локальным внесением ПАВ // Изв. РАН. МЖГ. – 2011. – № 6. – C. 56–68.

4. Денисова М.О. Определение условий возникновения концентрационно-капиллярной конвекции в воде и ее растворах // Вестник Нижегородского университета им.

Н.И. Лобачевского. № 4. Часть 3. Н. Новгород: изд-во ННГУ им. Н.И. Лобачевского.

– 2011. – С. 745–746.

5. Denisova M.O., Kostarev K.G. Occurrence of the motion of a fluid with a free surface of small area // Procedia IUTAM, ELSEVIER e-journal, ISSN: 2210-9838. – 2013 (in press).

6. Бушуева К.А., Денисова М.О., Зуев А.Л., Костарев К.Г. Экспериментальное изуче ние динамики развития концентрационно-капиллярного течения на межфазной поверхности пузырьков и капель в присутствие ПАВ // Зимняя школа по механике сплошных сред (пятнадцатая), сборник статей. Часть 1. Екатеринбург: УрО РАН. – 2007. – С. 162–165.

7. Денисова М.О. Экспериментальное исследование развития концентрационной конвекции Марангони // Материалы Всероссийской конференции молодых ученых (с международным участием) «Неравновесные процессы в сплошных средах».

Пермь, 2007. – С. 166–169.

8. Бушуева К.А., Денисова М.О., Зуев А.Л., Костарев К.Г. Развитие течения на меж фазной поверхности пузырьков и капель в присутствии ПАВ // Конвективные те чения. – Пермь: ПГПУ, 2007. – Вып. 3. – С. 139–154.

9. Денисова М.О. Экспериментальное изучение развития капиллярного движения на свободной поверхности жидкости при локальном внесении ПАВ // Материалы Всероссийской конференции молодых ученых (с международным участием) «Не равновесные процессы в сплошных средах». Пермь, 2008. – С. 98–101.

10.Денисова М.О., Костарев К.Г. Определение условий развития концентрационно капиллярной конвекции, вызванной локальным внесением ПАВ // Труды XVI Зимней школы по механике сплошных сред. Пермь: ИМСС УрО РАН, 2009.

ISBN 5-7691-2026-6 – № 80. – 6 с. (на СD).

11.Denisova M.O., Kostarev K.G. Development of capillary motion at the free surface of a fluid // Proceedings of 7th World Conference on Experimental Heat Transfer, Fluid Me chanics and Thermodynamics. Krakow, Poland, 2009. – CD, FM-30. – P. 1159–1164.

12.Birikh R., Denisova M., Kostarev K., Mizev A. The influence of adsorbed films of un controlled impurities on the onset and stability of the Marangoni convection // Proc. 11th National Congress on Theoretical and Applied Mechanics. Borovets, Bulgaria, 2009. – Digital Proceedings, ID 150. – P. 7.

13.Денисова М.О., Костарев К.Г. О возникновении конвекции Марангони, вызванной локальным внесением ПАВ (эксперимент) // Конвективные течения. – Пермь:

ПГПУ, 2009. – Вып. 4. – C. 85–106.

14.Denisova M.O., Kostarev K.G. The onset of solutocapillary convection in water-alcohol systems // Proceedings of the XXXVIII Summer School-Conference Advanced Prob lems in Mechanics 2010. St. Petersburg (Repino), Russia, 2010. – P. 147–154.

15.Денисова М.О., Костарев К.Г. Влияние свойств ПАВ на развитие концентрацион но-капиллярной конвекции // Труды XVII Зимней школы по механике сплошных сред. Пермь, 2011. ISBN 978-5-7691-2193-7. – № 30. – 10 с. (на СD).

16.Денисова М.О., Костарев К.Г. Развитие концентрационно-капиллярной конвекции в узком горизонтальном канале // Конвективные течения. – Пермь: ПГПУ, 2011. – Вып. 5. – C. 18–37.

——————————————————————————————— Подписано в печать 5.04.2013. Формат 6084/16.

Тираж 100 экз. Усл. печ. л. 1. Заказ № 812/2013.

——————————————————————————————— Отпечатано с готового оригинал-макета в типографии издательства Пермского национального исследовательского политехнического университета 614990, г. Пермь, Комсомольский пр., 29, к. 113.

Тел.: (342) 219-80-

 




 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.