Введение к работе
Актуальность темы. Объектом настоящего исследования является конвективное течение Марангони, возникающее в жидких средах вблизи поверхности раздела фаз под действием тангенциальных капиллярных сил в случае неоднородности поверхностного натяжения. Такая неоднородность может быть обусловлена наличием вдоль поверхности градиента температуры (термокапиллярная конвекция) или концентрации поверхностно-активного компонента (концентрационно-капиллярная конвекция). В наземных условиях наблюдение и изучение конвекции Марангони в значительной степени затруднено наличием гравитационных конвективных течений, интенсивность которых, как правило, в десятки раз выше. Однако, в объемах жидкости, имеющих относительно протяженную свободную поверхность и малый вертикальный размер - таких, как небольшие капли, жидкие мостики и зоны, тонкие горизонтальные слои и пленки жидкости, объемные силы оказываются малы по сравнению с поверхностными. В этих случаях конвекция Марангони способна вносить существенный вклад в процессы тепло/массообмена, а также влиять на форму свободной поверхности, вызывая поверхностные деформации и даже перемещения всего объема жидкости в целом.
Опыт теоретического и экспериментального изучения таких процессов, накопленный к настоящему времени, свидетельствует о большом многообразии природных и техногенных явлений, в которых конвекция Марангони играет определяющую роль. Межфазная конвекция существенно влияет на интенсивность многих технологических процессов в пищевой, химической, нефтяной, металлургической и разных других отраслях промышленности, в том числе протекающих в условиях невесомости, где гравитационные механизмы конвективного движения ослаблены или отсутствуют (выращивание монокристаллов, изготовление однородных полупроводниковых структур, сплавов многокомпонентных металлов, композитов и пр.). Отдельное внимание к исследованиям по данной тематике обусловлено разработками в области космических технологий и систем жизнеобеспечения орбитальных станций и космических аппаратов. Термо- и концентрационно-капиллярные эффекты имеют важное прикладное значение для различных областей науки, таких, например, как экология (очистка поверхности воды от загрязнений нефтепродуктами); биология (движение бактерий и микроорганизмов, внутриклеточный массообмен); медицина (распространение легочного ПАВ при лечении респираторных заболеваний) и многих других.
Эти факторы привели к интенсивному развитию межфазной гидродинамики. Однако в подавляющем числе случаев исследования сводятся к изучению термокапиллярной, а не концентрационно-капиллярной конвекции. Одной из причин является трудность создания и поддержания постоянных градиентов концентрации, а также отсутствие адекватных методов измерения концентрации ПАВ непосредственно на поверхности раздела. Другая сложность заключается в нестационарном характере концентрационных течений, обусловленном большим временем релаксации диффузионного процесса. Дополнительные побочные эффекты, связанные с растворением ПАВ в жидкости, его испарением в газообразную фазу и адсорбцией на поверхности раздела, также существенно усложняют задачу. В результате, несмотря на сходство механизмов движения, возможно возникновение новых концентрационно-капиллярных явлений, не имеющих термокапиллярных аналогов.
Цель и задачи работы - экспериментальное исследование гидродинамики и конвективного тепло/массопереноса в двухфазных средах при наличии поверхностей раздела жидкость/газ с градиентом поверхностного натяжения, обусловленным неоднородностью температуры или концентрации растворенного поверхностно-активного вещества.
Научная новизна. Предложены новые экспериментальные методы исследования термокапиллярных явлений (таких, как деформация поверхности тонкого слоя и термокапиллярный дрейф пузырьков) в лабораторных условиях в "чистом виде" без влияния побочных термогравитационных течений. Получены критические значения параметров, при которых происходит разрыв слоя термокапиллярными силами. Работы по концентрационной конвекции Марангони являются пионерскими. Разработана методика одновременного наблюдения структуры конвективных течений и вмороженных в них полей концентрации интерференционным методом. Обнаружен ряд новых явлений: деформация и разрыв слоя жидкости при растекании по его поверхности капли ПАВ; самодвижение (дрейф) пузырьков в направлении увеличения концентрации ПАВ; автоколебания конвективного течения вокруг неподвижных пузырьков в жидкости с вертикальной стратификацией по концентрации, пороговый характер возникновения концентрационного течения Марангони в тонких слоях. Проведено сравнение термо- и концентрационно-капиллярных эффектов.
Достоверность результатов основывается на тщательной разработке методик экспериментов, высокой точности и малой погрешности измерений всех экспериментальных величин, а также сопоставлении, где возможно, с данными известных теоретических исследований.
Практическая ценность. Результаты диссертации могут быть использованы для управления технологическими процессами, в которых существенно сказывается конвекция Марангони. Наземное моделирование термо- и концентрационно-капиллярных явлений служит основой для подготовки космических экспериментов в условиях невесомости.
Диссертационная работа выполнялась в рамках разрабатываемых лабораторией гидродинамической устойчивости ИМСС УрО РАН в 1991-2008 г. госбюджетных тем ГР 01.920.004716, 01.960.011483, 01.200.118928, 01.200.604353. Исследования являлись также составной частью Государственной программы поддержки ведущих научных школ (гранты 96-15-96084 и 00-15-00112) и Программы фундаментальных исследований ОЭММПУ РАН 2003-2005 и 2007-2009 гг. Работа была поддержана проектами РФФИ 94-01-01730, 97-01-00707, 00-01-00614, 03-01-00579 и 06-01-00221, региональными проектами РФФИ-Урал 04-01-96057, 07-01-96031 и 07-01-96053, грантом INTAS-ESA 99-01505, персональным грантом Администрации Пермского края для докторантов в 2007 г.
Автором представляются к защите:
Методики проведения экспериментов и конструкции установок для изучения эффектов Марангони в наземных лабораторных условиях;
Результаты измерения величины деформации свободной поверхности тонкого горизонтального слоя неизотермической жидкости;
Экспериментальное изучение закономерностей разрыва поверхности тонкого горизонтального слоя вязкой жидкости при растекании по его верхней свободной поверхности капли растворимого ПАВ;
Значения критических перепадов поверхностного натяжения, необходимых для разрыва слоя термокапиллярными или концентрационно-капиллярными силами;
Результаты измерения скорости термокапиллярного дрейфа в тонких горизонтальных слоях различных жидкостей в широком интервале температур и размеров пузырьков;
Экспериментальное обнаружение явления концентрационно-капиллярного дрейфа пузырьков, вызванного неравномерным распределением концентрации ПАВ в жидкой бинарной смеси;
Сопоставление скоростей движения пузырьков под действием соответственно термокапиллярных и концентрационно-капиллярных сил;
Экспериментальное обнаружение осцилляционных режимов конвективного течения вокруг неподвижных пузырьков в жидкости с вертикальным градиентом концентрации ПАВ;
Зависимости периода колебаний от времени, градиента концентрации, средней концентрации раствора, чисел Марангони и Грасгофа;
Интерференционные картины структуры конвективных течений и полей концентрации вокруг пузырька в тонком вертикальном слое стратифицированного раствора и в горизонтальном канале прямоугольного сечения;
Выявление пропорциональности между периодом осцилляции и градиентом концентрации вокруг пузырька в опытах с разными парами жидкостей и противоположными направлениями градиента;
Сравнение результатов эксперимента с численными расчетами концентрационного течения в двумерной прямоугольной полости;
Экспериментальное обнаружение порогового характера возникновения концентрационного конвективного течения Марангони в тонких слоях жидкости;
Значения критических чисел Марангони, необходимых для начала циклов вихревого течения в растворах различной концентрации.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались на 55 научно-технических отечественных и зарубежных конференциях. В том числе: на II (Пермь, 1981), III (Черноголовка, 1984) и IV (Новосибирск, 1987) Всесоюзных семинарах по гидромеханике и тепломассообмену в невесомости; на V (Алма-Ата, 1981), VI (Ташкент, 1986), VIII (Пермь, 2001) и IX (Нижний Новгород, 2006) Всерос. съездах по теоретической и прикладной механике; XIV и XVI Гагаринских научных чтениях по космонавтике и авиации (Москва, 1984, 1986); Int. Symp. on Hydromechanics and Heat/Mass Transfer in Microgravity (Perm-Moscow, Russia, 1991); I (Cambridge, UK, 1991), III (Goettingen, Germany, 1997), V (Toulouse, France, 2003) и VI (Stockholm, Sweden, 2006) European Fluid Mechanics EUROMECH Conf.; ШТАМ Symp. on Microgravity Fluid Mechanics (Bremen, Germany, 1991); VIII European Symp. on Materials and Fluid Sciences in Microgravity (Bruxelles, Belgium, 1992); Int. Workshops on Short-Term Experiments under Strongly Reduced Gravity "Drop Tower Days" (Bremen, Germany, 1992, 1994); II Liquid Matter Conf. (Firenze, Italy, 1993); IAC'94 Int. Aerospace Congr. (Moscow, Russia, 1994); IX European Symp. on Gravity-dependent Phenomena in Physical Sciences (Berlin, Germany, 1995); Int. Workshop on Small Scale Dynamics of Physico-Chemical Processes at Interfaces (Dresden, Germany, 1998); I (Sorento, Italy, 2000) и II (Toronto, Canada, 2004) Int. Symp. on Physical Sciences in Space; II Pan-Pacific Basin Workshop on Microgravity Sciences (Pasadena, CA, USA, 2001); I (Giessen, Germany, 2001), II (Brussels, Belgium, 2004), III (Gainesville, Florida, USA, 2006) и IV (Tokyo, Japan, 2008) Int. Marangoni Association Conf. on Interfacial Fluid Dynamics and Processes in Physico Chemical and Bio Systems; 39th и 45th Aerospace Sciences Meetings (Reno, Nevada, USA, 2001, 2007); 22th (Heidelberg, Germany, 2002) и
26і (Crete, Greece, 2006) Int. Conf. on Nonlinear Science "Dynamics Days Europe"; 1st Int. Conf. on Advanced Problems in Thermal Convection (Perm, Russia, 2003); 1st (Beirut, Lebanon, 2004) и 3rd (Amman, Jordan, 2007) Int. Conf. on Thermal Engineering Theory and Applications; X National Congr. on Theoretical and Applied Mechanics (Varna, Bulgaria, 2005); 56th (Fukuoka, Japan, 2005), 57th (Valencia, Spain, 2006) и 58th (Hyderabad, India, 2007) Int. Astronautical Congr.; ELGRA Biennial Symp. and General Assembly (Florence, Italy, 2007); 2 и 3 Всерос. конф. "Задачи со свободными границами: теория, экспе-римент и приложения" (Бийск, 2005, 2008); Научн. конф. "Актуальные проблемы механики сплошных сред" (Пермь, 2005); X, XII, XIII, XIV и XV Зимних школах по механике сплошных сред (Пермь, 1995, 1999, 2003, 2005, 2007); 35 и 36 Школе-конф. "Advanced Problems in Mechanics" (Репино, 2007, 2008); Междунар. конф. "Потоки и структуры в жидкостях" (С.-Петербург, 2007); 5th EUROMECH Nonlinear Dynamics Conf. (Saint Petersburg, Russia, 2008); 14th Int. Symp. on Applications of Laser Techniques to Fluid Mechanics (Lisbon, Portugal, 2008); 19th Int. Symp. on Transport Phenomena (Reykjavik, Iceland, 2008); 11th Int. Conf. on Multiphase Flow in Industrial Plant (Palermo, Sicily, 2008).
Полностью диссертация обсуждалась на Пермском гидродинамическом семинаре им. проф. Г.З.Гершуни и Е.М.Жуховицкого (Пермский государственный университет, рук. проф. Д.В.Любимов) и на научном семинаре Института механики сплошных сред УрО РАН (рук. акад. РАН В.П.Матвеенко).
Публикации. По теме диссертации автором опубликовано 110 печатных работ, в том числе 50 статей в отечественных и зарубежных журналах и сборниках научных трудов и материалов конференций.
Личный вклад автора. Все изложенные в диссертации результаты получены автором лично, либо при его определяющем личном участии в постановке экспериментов, проведении измерений, обработке и интерпретации результатов. Интерферометрические исследования проведены на экспериментальной установке, разработанной под руководством К.Г.Костарева, которому автор выражает искреннюю благодарность. Автор глубоко благодарен также В.А.Брискману, Р.В.Бириху, Ю.К.Братухину, А.Ф.Пшеничникову, A. Viviani за полезные обсуждения и ценные советы.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4-х глав, заключения, списка цитируемой литературы, включающего 248 наименований, и приложения. Она содержит 303 страницы текста, в том числе 80 рисунков и 12 таблиц.
