Введение к работе
Актуальность проблемы. Изучение капиллярных течений, вызванных наличием неоднородности температурных условий вдоль границы раздела фаз, представляет интерес не только с чисто академической точки зрения, но и имеет ряд конкретных практических приложений. Необходимость учёта таких течений возникает при решении многих научных и технических задач. Это объясняется тем, что рассматриваемые эффекты могут оказывать существенное влияние на интенсивность многих процессов тепло- и массопереноса через поверхности раздела гетерогенных веществ, используемых в химической металлургической, энергетической и других отраслях промышленности. Особое внимание к исследованиям в данной области обусловлено современными разработками космических технологий и систем обеспечения орбитатьных станций. Связано это с тем, что в условиях пониже1шой гравитации термокапшингоные э4(Ьекты в силу негравитационного характера начинают играть опр^чяюнгую *4ь в обр-о-нкч ко-п^пич и процессах
тея-томассонереноса *
С другой стороны рассмотрение поверхностных движений,
обусловленных наличием локальной неоднородности температуры на границе
раздела фаз представляет интерес и с чисто научной точки зрения. Имеющиеся
на сегодняшний день теоретические исследована? условий возникновения и
устойчивости термокапиллярного течения от сосредоточенного источника
тепла, расположенного на поверхности жидкости, заполняюшей бесконечный
по сравнению с размерами температурной неоднородности объём, подчас
весьма противоречивы. Экспериментальные же исследования проводились в
достаточно ограниченных объёмах жидкости (тонкие слои и плёнки), что
значительно осложняет проведение сравнительного анализа с теоретическими
результатами. В связи с этим тема данной диссертации представляется весьма
актуальным и своевременным исследованием, способным помочь в понимании
природы явлений разыгрывающихся на границе раздела лвух <Ьаз и
потроєнии адекватной теоретической модели Ф,
Цель диссертационной работы состоит в экспериментальном исследовании термокапиллярной конвекции от сосредоточенного источника тепла, расположенного вблизи или на поверхности объёма жидкости, характерные размеры которого намного превышают размеры источника тепла. При выполнении работы предполагалось решение следующих конкретных задач:
экспериментальное исследование влияния положения источника тепла относительно границы раздела на интенсивность термокапиллярного и свободно-конвективного движений и выяснение относительного вклада каждого из механизмов образования конвекции в общую картину течения;
экспериментальное изучение влияния свойств и физической природы источника тепла (твёрдое нагретое тело и тепловое пятно, индуцированное излучением) на структуру и устойчивость термокапиллярного течения;
экспериментальное исследование формы свободной поверхности жидкости при наличии термокапиллярного течения, создаваемого источниками тепла различной природы.
Научная новизна результатов.
Впервые проведено последовательное экспериментальное исследование термокапиллярной конвекции от сосредоточенного источника тепла в условиях, когда его размеры пренебрежимо малы по сравнению с размерами объёма жидкости. Показано, что и в достаточно глубоких слоях вклад термокапиллярной конвекции в суммарный тепломассоперенос оказывается весьма существенным и, при определённых условиях, может превышать вклад свободно-конвективного механизма образования конвекции.
Впервые для данного класса задач обнаружены поверхностные волны спиральной конфигурации, возникающие вследствие колебательной неустойчивости поверхности жидкости вблизи источника тепла. Изучены условия возникновения и пространственно-временные характеристики спиральной волны. Показано ненаблюдаемое ранее для данного класса волн изменение шага спирали с радиальной координатой.
Разработана оригинальная методика измерения локальных деформаций
-стационарной формы свободнойповерхносЕилкидкосш.
НаУЧіІЗІЯ и ПраКТНЧсСКЯм ЦсІіііОСТЬ раиОТЬі.
экспериментально обнаруженный в работе эффект зависимости теплоотдачи от сосредоточенного нагретого тела от его расположения относительно поверхности жидкости может быть использован для управления процессами тепло- и массообмена при разработке различных устройств, содержащих свободную границу раздела;
результаты экспериментального исследования влияния граничных условий на поверхности источника тепла на структуру и устойчивость термокапиллярного течения представляют общетеоретический интерес, поскольку способствуют построению адекватной теоретической модели конвекции Мараигони;
экспериментально обнаруженные в работе волны спиральной конфигурации с не наблюдавшимся ранее распределением радиального волнового числа представляют интерес с точки зрения теории нелинейных колебаний.
Работа выполнялась в рамках разрабатываемой кафедрой общей физики Пермского государственного университета темы «Конвекция и теплообмен в ламинарном, переходном и турбулентном режимах; влияние осложняющих факторов на конвективную и гидродинамическую устойчивость» (№ ГРО 1860081295). Исследования являются также составной частью Государственной программы поддержки ведущих научных школ (грант № 96-
15-96084), Международного научно-технического проекта «Конвективные явления и процессы тепломассопереноса в условиях невесомости и микрогравитации», Федеральной целевой программы «Интеграция» (грант № 98-06) и программы «Университеты России» (направление II, «Неравновесные процессы в макроскопических системах»). Автором представляются к защите:
результаты экспериментального исследования теплоотдачи от сосредоточенного источника тепла с твёрдыми, непроницаемыми границами, расположенного вблизи поверхности жидкости;
результаты экспериментального исследования термокапиллярного течения от сосредоточенного источника тепла с твёрдыми, непроницаемыми границами;
результаты эксперименталъного исследования колебательной неустойчивости термокапиллярпого течения от сосредоточенного источника тепла с твёрдыми, пепроницаемыми границами;
результаты экспериментального исследования пространственно-временных характеристик поверхиостных волн круговой и спиральной конфигурации, возникающих вследствие колебательной неустойчивости формы поверхности жидкости над твёрдым, непроницаемым источником тепла;
результаты экспериментального исследования термокапиллярной конвекции от сосредоточенного источшиса тепла, индуцированного излучением;
результаты экспериментального исследования влияния граничных условий вблизи источника тепла на структуру и устойчивость основного течения;
результаты экспериментального исследования влияния конвективных течений от источников тепла различной природы на деформацию формы поверхности жидкости;
методика измерения локальных деформаций стационарной формы свободной поверхности жидкости.
Апробация работы. Основные результаты диссертации опубликованы в работах, список которых приведён в конце автореферата, и докладывались на 3 Международном семинаре по устойчивости гомогенных и гетерогенных жидкостей (Новосибирск, 1996 г.), па 11 Международной зимней школе по механике сплошных сред (Пермь, 1997 г.), на совместном 10 Европейском и 6 Всероссийском симпозиуме «Физические науки в условиях микрогравитации» (С.-Петербург, 1997 г.), а также на Пермском городском гидродинамическом семинаре им. профессора Г.З. Гершуни (Пермь, 2000).
Структура и объём диссертация. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка цитируемой литературы (84 наименования). Общий объём диссертации 117 страниц, включая 40 рисунков.