Введение к работе
Актуальность темы диссертации обусловливается тем, что исследование процессов смачивания и растекания представляет существенный интерес как с точки зрения фундаментальной науки, так и с точки зрения ряда практических приложений. Как известно, растекание жидкости по поверхности твердого тела противоречит принятому в гидродинамике условию прилипания. Для устранения этого противоречия использовался ряд подходов: механизм "гусеницы" или "расстилающегося ковра" (Френкель, Ґегузин, Быховский, Бенни и Тимсон), механизм скольжения (Хокинг, Рукенштейн), учет расклинивающего давления (Старов). Тем не менее, механизм растекания не вполне ясен и в настоящее время. Очевидно, он тесно связан с формированием в области трехфазного контакта прекурсионного слоя, опережающего растекание основного объема капли (де Жен).
Особенно отчетливо сложность проблемы механизма растекания проявляется на начальной стадии кинетического режима растекания малых капель, т.е. при эволюции точечного контакта первоначально сферической малой капли в межфазную поверхность «твердое тело-жидкость», ограниченную линией трехфазного контакта. В последнее десятилетие механизм растекания изучался также на основе методов компьютерного моделирования, но лишь для микроскопических капель. Растекание макроскопических капель в кинетическом режиме остается , по-прежнему малоизученным как теоретически, так и экспериментально. Поэтому для исследования первичного акта смачивания поверхности твердого тела макроскопическими каплями жидкости при кинетическом режиме растекания нами был предложен новый мезоскопический вариант моделирования по методу Монте-Карло.
Целью работы является моделирование кинетического режима растекания малых капель жидкости по поверхности твердого тела на основе метода Монте-Карло и энергетического варианта неравновесной термодинамики, базирующегося на Н - теореме (принципе убывания свободной энергии). Для нахождения необходимых при моделировании параметров исследуемой системы предварительно была изучена размерная зависимость удельной свободной поверхностной энергии и удельной свободной энергии периметра смачивания на основе термодинамической теории возмущений. Помимо моделирования эволюции системы "малая капля-твердое тело-пар" исследовалась также проблема бифуркаций в тонких пленках жидкостей на поверхности твердого тела, связанных с увеличением (уменьшением) их толщины.
Научная новизна работы:
-
Впервые реализован и апробирован компьютерный вариант мете исследования размерной зависимости удельной свободи поверхностной энергии микрокапель, разработанного ранее Л Щербаковым, и основывающийся на термодинамической теор возмущений (ТТВ). Также впервые указанный подход был примене исследованию размерной зависимости поверхностного натяжен металлических микрокапель. Установлено, что при больших радиус достаточно хорошо выполняется формулы Толмена и Щербако тогда как при малых размерах капли более адекватной яаляе: формула Русанова, отвечающая линейной зависимости уделы-свободной поверхностной энергии от радиуса капли. Р исследованных систем (флюид Ленард-Джонса и расплавы металл< нами были найдены параметры , входящие в эти формулы.
-
Разработан компьютерный вариант подхода к нахождению линейнс натяжения периметра смачивания и его зависимости от радиу трехфазного контакта для систем "сферический мениск жидкост твердое тело" и "сферический мениск жидкости-прекурсионн плоскопараллельная жидкая пленка-твердое тело". Впервые бы исследована зависимость линейного натяжения не только величины контактного угла (эта зависимость исследовалась диссертации А.Р. Новоселова), но и от величины радиу сферического мениска.
-
Предложен мезоскопический вариант моделирования первичнс акта смачивания при кинетическом режиме растекания по мето Монте-Карло. Найдены последовательные конфигурации профи мениска растекающейся капли при различных определяющ параметрах системы. Показано, что струйный механи формирования первичной (прекурсионной пленки), выдвинул Суммом и Раудом для гидродинамического режима растекану может реализовываться и при кинетическом режиме, і обусловливается не гидродинамическими эффектами, поверхностными силами, действующими со стороны подложки.
-
Подтвержден сделанный ранее В.М. Самсоновым вывод, о том, ч отрицательная избыточная свободная энергия периметра смачивані капли выступает в роли фактора, способствующего растеканию.
-
Впервые предложено характеризовать профиль менис растекающейся капли с помощью фрактальной клеточне размерности ее радиального сечения. Показано, что в процес» кинетического режима растекания фрактальная размерность профш мениска, проходя через минимум, возрастает от 1,5 до 1, Исследования также показали, что в отличие от геометрии профил его фрактальная размерность обладает хороше воспроизводимостью при моделировании первичного ак смачивания по методу Монте-Карло.
6. Проведено моделирование по методу Монте - Карло бифуркаций, наблюдающихся в тонкой пленке по мере роста ее толщины. Выявлены критические параметры устойчивости для указанной системы.
Практическая значимость работы обусловлена тем, что растекание жидкости по поверхности твердого тела является важной составной частью многих технологических процессов: пайки, склеивания, окрашивания поверхностей, смазки и многих других. Можно выделить два основных направления практического использования полученных в работе результатов. Во-первых, результаты исследования могут быть использованы для выбора оптимальных режимов перечисленных выше технологических процессов. Во-вторых, разработанные подходы и методы могут послужить основой для разработки новых технологий.
Основные положения . выносимые на защиту .
-
Компьютерный вариант метода исследования размерной зависимости удельной свободной поверхностной энергии микрокапель, разработанного ранее Л.М. Щербаковым, и основывающийся на термодинамической теории возмущений (ТТВ), позволяет не только определить величину удельной свободной поверхностной энергии, но и соответствующие параметры в формулах Русанова, Толмена и Щербакова.
-
Предложенный в работе метод расчета удельной свободной энергии периметра смачивания позволяет исследовать ее зависимость от величины краевого угла и радиуса линии трехфазного контакта.
-
Предложенный мезоскопический вариант моделирования адекватен кинетическому режиму растекания. Найденные конфигурации малых капель хорошо воспроизводят экспериментально наблюдавшиеся геометрические параметры вторичного прекурсионного слоя.
-
Предложенная теоретическая интерпретация процесса бифуркаций в тонких пленках, наблюдающихся по мере роста их толщины, позволяет установить критические параметры устойчивости для системы «твердое тело - тонкая пленка жидкости».
Апробация работы. Материалы диссертационной работы были представлены на 10-ой Международной конференции по поверхностным силам (Москва, 1992), на Международном аэрозольном симпозиуме (Москва, 1994), на 11-ой Международной конференции ^по поверхностным силам (Москва, 1996) и на Региональной конференции, посвященной 85-летию С.Н. Задумкина (Нальчик,1998).
Публикации. Результаты работы отражены в 10 научных публикациях, список которых представлен в конце автореферата.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введе> пяти глав, выводов, списка литературы из 212 наименований. Раб изложена на 175 страницах, содержит 50 рисунков и 3 таблицы.
