МЕХАНИКА ЖИДКОСТИ И ГАЗА <6 • 2008
УДК 533.6.011+532.529.5
© 2008 г. А. А. ФЕДОРЕЦ
О ПРИМЕНЕНИИ КАПЕЛЬНОГО КЛАСТЕРА ДЛЯ ВИЗУАЛИЗАЦИИ МИКРОМАСШТАБНЫХ ТЕЧЕНИЙ ЖИДКОСТИ И ГАЗА
Экспериментально показана возможность использования микрокапель, образующих диссипа-тивную структуру - капельный кластер, в качестве трассирующих частиц, локализованных в пограничном слое газа, прилегающем к межфазной поверхности жидкость-газ. Рассмотрены примеры визуализации полей скоростей в пограничном слое, порождаемых как процессами в газовой фазе, так и конвекцией жидкости.
Ключевые слова: микрогидродинамика, визуализация течений, межфазная поверхность, капельный кластер.
Успехи механики жидкости и газа неразрывно связаны с совершенствованием методов визуализации течений. Многообразие свойств исследуемых объектов и процессов (от ползущих течений жидкости до ударных волн в разряженных газах и т.д.) привело к развитию широкого спектра методов визуализации потоков. Во многих из них в текучую среду вводятся микрочастицы - трассеры, перемещения которых регистрируется оптическими средствами. В этом случае, наряду с характеристиками оптических устройств, первостепенную роль играют свойства самих трассеров, что проявляется в разнообразии используемых в этой роли объектов [1]: алюминиевая и магниевая пудра, ликоподий, красящие вещества, газовые пузырьки. Развитие новых технологий производства полимерных микросфер с точно выдержанным диаметром и эффективной плотностью [2] свидетельствует о продолжении поиска трассеров со свойствами, расширяющими возможности экспериментаторов.
В работе описывается принципиально новый тип трассеров, представляющий интерес прежде всего для такой актуальной на сегодняшний день области исследований как микрогидродинамика [3, 4]. В качестве трассеров предлагается использовать микрокапли диссипативной структуры - капельный кластер, фиг. 1, возникающей при локальном нагреве и испарении жидкостей. Феноменологическое описание этого нового явления содержится в [5, 6], с точки же зрения задач визуализации течений, к наиболее важным особенностям капель кластера относятся:
1) миниатюрность (характерный диаметр капли 10, ..., 50 мкм);
2) подвижность, обусловленная малой массой и газовой прослойкой, отделяющей капли от жидкой поверхности, фиг. 1, б;
3) возобновляемость (при действующем источнике тепла кластер непрерывно пополняется вновь образованными каплями);
4) локализация кластера в пограничном слое газа, прилегающем к межфазной поверхности жидкость-газ.
Примеры визуализации микромасштабных течений жидкости и газа с помощью капельного кластера иллюстрируются на фиг. 2. Анализируемые изображения получены с помощью стереомикроскопа МБС-10, оборудованного специализированной телекамерой. Для передачи движения на статических картинках применено наложение негативного и позитивного изображений двух последовательных кадров видеозаписи. В результате такой обработки неподвижные элементы изображения теряют контрастность, со-
4 Механика жидкости и газа, № 6
98
А.А. Федорец
Фиг. 1. Диссипативная структура - капельный кластер: а - вид сверху, б - вид сбоку (под каплями видны их зеркальные отражения от жидкой поверхности); кластер генерируется встроенным в дно кюветы металлическим стержнем диаметром 1 мм, на который навита изолированная нихромовая проволока, нагреваемая электрическим током
здавая монотонный серый фон, на котором вовлеченные в движение капли отображаются дважды: негативные образы отвечают исходному положению, позитивные - положению на более позднем кадре. При правильном выборе временного интервала между совмещаемыми кадрами, негативные и позитивные образы капель легко сопоставляются, что позволяет детально визуализировать структуру течений и восстанавливать поле скоростей.
1. Визуализация потоков воздуха при тепловой конвекции. Капельный кластер, фиг. 2,а, индуцировался тепловым действием сфокусированного пучка белого света в системе - тонкий горизонтальный слой воды на поглощающей свет карболитовой подложке. Используемая в эксперименте вода не проходила специальной очистки и содержала неконтролируемые примеси поверхностно-активных веществ, подавлявших термокапиллярный механизм конвекции1, поэтому перемещения капель кластера вызывались исключительно тепловой конвекцией воздуха над нагретым участком слоя.
Описание капельного кластера в близких условиях встречается в [5]. Основное отличие связано с геометрией системы: если в [5] восходящий поток над нагретым участком слоя (далее, факел) развивался в неограниченном полупространстве и имел конусообразную форму без замкнутых линий тока, то в рассматриваемом примере кластер индуцировался внутри цилиндра Стефана диаметром 20 и высотой 50 мм. Такие границы существенно усложняли аэродинамику факела, порождая устойчивые замкнутые потоки, а смещения положения цилиндра относительно теплового источника обеспечивали простой, но эффективный механизм воздействия на факел, позволивший убедиться в способности кластера отслеживать минимальные структурные изменения течений.
1 Известно, что термокапиллярная конвекции в воде подавляется даже при крайне низких концентрациях поверхностно-активных веществ [7], в роли которых могут выступать самые разнообразные примеси, неизбежно абсорбируемые водой из окружающей среды.
Изв. РАН. Механика жидкости и газа, № 6, 2008
99
Фиг. 2. Примеры визуализации течений на межфазной границе жидкость-газ: а - тепловая конвекция воздуха внутри цилиндра Стефана, б - зарождение и развитие термокапиллярного вихря в тонком слое воды с поверхностно-активными веществами; граница вихря после стабилизации процесса (на 5-й с) очерчивается множеством малоподвижных капель
Капельный кластер, визуализирующий типичную структуру потоков в пограничном слое вблизи оси цилиндра Стефана, показан на фиг. 2,а. Здесь четко прослеживаются движущиеся слева направо периферийные течения, отделенные застойными областями от более медленного возвратного потока. Зная пространственный масштаб и временной интервал между совмещенными кадрами, нетрудно определить скорость течений, в данном случае не превышающую 1.5 мм/с.
По сути, в описанном опыте моделируется распространенная, но технически сложная и далеко не всегда решаемая расчетным путем задача оптимизации аэродинамических
100 A.A. Федорец
характеристик устройств. Несмотря иа то, что в этом направлении активно совершенствуются системы PIV (Particle Image Velocimetry), в отдельных ситуациях новый метод визуализации может быть весьма конкурентоспособен, поскольку обладает такими достоинствами, как простота и низкая стоимость оборудования и возможность визуализации течений в системах, геометрия границ которых препятствует свободному доступу сканирующего лазерного пучка.
2. Визуализация термокапиллярного течения жидкости. В данном опыте, как и в первом примере, капельный кластер индуцировался над тонким слоем воды сфокусированным пучком света. Отличие состояло в том, что мощность пучка постепенно повышалась до некоторого порогового уровня, при котором поверхностно-активные примеси уже не могли сдерживать развитие термокапиллярной конвекции, фиг. 2,6.
Скорость термокапиллярных течений превышала 10 мм/с и при стандартной частоте видеозаписи 25 кадров в секунду наиболее быстрые капли фиксировались в виде штрихов. Поскольку толщина пограничного слоя газа, увлекаемого течением жидкости, много меньше пространственного масштаба факела, некоторое количество капель продолжало проникать из газовой фазы в область термокапиллярного вихря на всех стадиях его развития. Подлетая к жидкости, такие капли давали характерный раздвоенный след, имеющий простое объяснение: телекамерой, помимо изображения капли, фиксировалось и ее зеркальное отражение от жидкой поверхности.
В экспериментах, подобных описанному в примере, но проводимых при строгом контроле режима теплового воздействия и химического состава жидкости, могут изучаться разнообразные процессы на межфазной поверхности, например адсорбционные свойства поверхностно-активных веществ, проявляющиеся в динамике развития и релаксации термокапиллярных течений жидкости.
Заключение. По совокупности свойств капли кластера - качественно новый тип трассирующих частиц. Их способность детально визуализировать микромасштабные поля скоростей, уникальная локализация в принципиально важном для математического моделирования пограничном слое, а также доступность оборудования, необходимого для воспроизведения эффекта, позволяют надеяться на то, что уже в ближайшем будущем капельные кластеры найдут применение при решении ряда задач микрогидродинамики (например, при тестировании компьютерных программ, моделирующих процессы тепломассопереноса), а также в экспериментах, направленных на изучение физико-химических процессов на межфазной поверхности жидкость-газ.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ван Дайк М. Альбом течений жидкости и газа. М.: Мир, 1986. 181 с.
2. http://www.microparticles.de
3. Sinton D. Microscale flow visualization // Microfluid Nanofluid. 2004. V. 1. < 1. P. 2-21.
4. Devasenathipathy S., Santiago J.G., Wereley S.T., Meinhart C.D., Takehara K. Particle imaging techniques for microfabricated fluidic systems // Experim. in Fluids. 2003. V. 34. < 4. P. 504-514.
5. Федорец A.A. Капельный кластер // Письма в ЖЭТФ. 2004. Т. 79. Вып. 8. С. 457-459.
6. Федорец A.A. О механизме некоалесценции в капельном кластере // Письма в ЖЭТФ. 2005. Т. 81. Вып. 9. С. 551-555.
7. Gugliotti M., Baptista M.S., Politi M.J. Laser-induced Marangoni convection in the presence of surfactant monolayers // Langmuir. 2002. V. 18. P. 9792-9798.
Тюмень
Поступила в редакцию 18.II.2008
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.