М ЕХАНИКА ЖИДКОСТИ И ГАЗА № 3 • 2015
УДК 532.516:532.68
РАЗВИТИЕ КОНЦЕНТРАЦИОННО-КАПИЛЛЯРНОЙ КОНВЕКЦИИ НА МЕЖФАЗНОЙ ПОВЕРХНОСТИ
© 2015 г. Р. В. БИРИХ, М. О. ДЕНИСОВА, К. Г. КОСТАРЕВ
Институт механики сплошных сред Уральского отделения РАН, Пермь e-mail: kostarev@icmm.ru
Поступила в редакцию 04.09.2014 г.
Экспериментально и теоретически изучено возникновение конвекции Марангони, вызванной внесением капли раствора поверхностно-активного вещества (ПАВ) на горизонтальную межфазную поверхность жидкостей. Обнаружено, что пленка примесей, адсорбированных этой поверхностью из объема контактирующих жидкостей, приходит в движение лишь при достижении определенного сдвигового напряжения, вследствие чего капиллярное течение развивается пороговым образом. По сравнению со случаем развития конвекции Марангони на свободной поверхности жидкости, величина порогового сдвигового напряжения может оказаться как ниже, так и выше — в зависимости от концентрации поверхностно-активных примесей в обеих жидкостях и характера изменения поверхностного натяжения при переходе к межфазной границе. Для описания порогового развития концентрационной конвекции предложена нелинейная связь напряжения сдвига на поверхности жидкости со скоростью ее движения. В численном эксперименте определена структура конвективного течения на межфазной поверхности, получена зависимость интенсивности течения от времени.
Ключевые слова: ньютоновские жидкости, поверхностно-активные вещества, адсорбционная пленка, конвекция Марангони.
Исследования последних лет наглядно продемонстрировали, что структура и интенсивность капиллярного движения зависят как от пространственного распределения и величины создаваемого перепада поверхностного натяжения, так и от свойств поверхности жидкости [1—3]. В свою очередь свойства поверхности определяются не только природой жидкости, но также составом и концентрацией примесей, адсорбируемых поверхностью из объема жидкости и контактирующей среды. Так, алканы и фталаты, находящиеся в объеме воды в концентрациях порядка микрограммов на литр, придают ее поверхности свойства, характерные для вязкопластической жидкости [4]. Отметим, что впервые на возможность приобретения поверхностью воды неньютоновских свойств за счет адсорбции примесей указали В.Г. Левич и А.Н. Фрум-кин при интерпретации зависимости скорости всплывающего пузырька от его размера [5]. Позднее правильность выдвинутого предположения была подтверждена экспериментами А.В. Городецкой по всплыванию пузырьков воздуха в воде различной степени очистки [6].
Характер влияния адсорбированных примесей на капиллярное течение во многом можно предсказать, исходя из экспериментов с растворами ПАВ. В частности, наличие поверхностно-активных примесей в жидкости может привести к явлениям, аналогичным отсутствию термокапиллярного дрейфа в растворах ПАВ на основе органических жидкостей [7], быстрому прекращению концентрационно-капиллярного дрейфа в водных растворах спиртов [8], снижению интенсивности и даже подавлению тепло-
вой конвекции Марангони от локальных источников тепла [9,10], а также пороговому возникновению капиллярного движения при диффузии ПАВ сквозь межфазную поверхность [11, 12].
В отличие от ПАВ, целенаправленно используемых в эксперименте, состав и концентрация примесей жидкости обычно остаются неизвестными, лишь опосредованно определяясь системами производственной и лабораторной очистки. Именно эти неконтролируемые примеси — основной источник низкой воспроизводимости результатов в большинстве экспериментов по изучению конвекции Марангони.
Традиционным способом снижения влияния примесей служит выбор жидкости с максимальной степенью очистки и с наименьшим поверхностным натяжением а (чем ниже а, тем меньшее количество примесей проявляет поверхностно-активные свойства по отношению к выбранной жидкости).
В случае необходимости применения жидкости с высоким поверхностным натяжением перспективным может оказаться использование межфазной поверхности. Как правило, к жидкости с высоким значением а можно подобрать такую контактирующую жидкость, чтобы межфазное натяжение оказалось ниже индивидуальных. Кроме того, в отсутствие равновесного распределения примеси в системе жидкостей ее адсорбция сопровождается диффузионным переносом через межфазную границу. Если скорость адсорбции примеси у одной жидкости (донора) ниже, чем скорость десорбции у другой жидкости (реципиента), то можно ожидать существенного уменьшения поверхностной концентрации примеси на межфазной границе по сравнению со случаем ее равновесного распределения, наблюдаемого на свободной поверхности. Этим обстоятельством можно воспользоваться, например, для снижения порогового перепада поверхностного натяжения, необходимого для возникновения конвекции Марангони [3]. Проверка данной гипотезы и стала основной задачей экспериментальной части работы. Кроме того, результаты эксперимента позволили верифицировать теоретическую модель концентрационной конвекции Марангони в системе жидкостей с межфазной границей, обладающей неньютоновскими свойствами.
1. Методика эксперимента. Экспериментальная кювета представляла собой вертикальную прямоугольную ячейку из плоскопараллельного стекла с внутренней полостью размером 9.0 х 5.0 х 0.4 см3 (фиг. 1). Для визуализации полей концентрации и структуры течений использован интерферометр Физо [13] с видеорегистрацией получаемого сигнала. Наблюдение велось со стороны широких граней ячейки.
И
1/
с
3.8 см
9 см
Фиг. 1. Схема экспериментальной кюветы: 1 — полая игла; 2 — полупрозрачные зеркала; 3 — капля раствора ПАВ; 4 — межфазная граница двух жидкостей
Жидкость, степень очистки Химическая формула p, г/см3 T = 20°C а, дин/см D, 10-5 см2/с
Вода деионизированная H2O 1.00 72.8 1.00
Изопропиловый спирт "ХЧ" C3H7OH 0.78 21.2 1.20
Уксусная кислота "ХЧ" CH3COOH 1.05 27.2 1.29
Хлорбензол "ХЧ" C6H5C1 1.11 33.2 1.02
Циклогексан "Для хроматографии" C6H12 0.78 25.3 0.84
В изотермическом случае интерферометр визуализировал неоднородности концентрации в растворе в виде системы изолиний, представлявших собой полосы равного оптического пути. Вследствие малых коэффициентов диффузии используемых жидкостей (соответствующие числа Шмидта Sc > 103) поле концентрации можно считать "вмороженным" в движущийся объем жидкости, что позволяло по интерферограм-мам определить структуру течений и проследить ее эволюцию.
Для регистрации интерферограмм была применена цифровая видеокамера Basler 402 K. Видеокамера захватывала изображение центральной части кюветы с частотой 24 кадра/с и максимальным разрешением 2300 х 1700, что позволяло использовать достаточно концентрированные растворы ПАВ.
Экспериментально исследован процесс возникновения капиллярного движения при введении микрокапли (V = 5 мкл) раствора контролируемого ПАВ с массовой концентрацией С на горизонтальную межфазную поверхность воды и несмешиваю-щейся с ней органической жидкости (хлорбензола или циклогексана). Для создания капли использовалась пипетка с точностью дозировования 0.1 мкл.
В качестве ПАВ выбраны изопропиловый спирт и уксусная кислота, физико-химические данные которых приведены в таблице [14, 15]. ПАВ — в зависимости от его плотности — растворялся в одной из контактирующих жидкостей так, чтобы капля его раствора, вводимая со стороны этой жидкости, двигалась к межфазной границе под действием архимедовой силы.
Как показано в [3, 6], концентрация неконтролируемых поверхностно-активных примесей обусловлена уровнем очистки жидкостей и степенью подготовки кюветы, стенки которой могут быть покрыты пленкой плохо растворимых веществ. С учетом этого кювета перед каждой серией опытов: (а) несколько раз механически очищалась с моющим средством "Ферри"; (б) помещалась под проточную воду на час; (в) промывалась литром дистиллированной воды.
Для улучшения очистки дистиллированная вода несколько раз пропускалась через деионизатор "Водолей" (ПО "Химэлектроника", г. Москва): до снижения ее электропроводности на порядок (с 2.4 до 0.15 мксименс/см). Деионизированная вода использовалась для финишной промывки кюветы.
Все опыты проведены в изотермическом режиме при температуре окружающей среды и рабочих жидкостей (23 ± 1)°С.
2. Результаты эксперимента. Выдвинутое предположение о возможности снижения величины порога по концентрации вводимого ПАВ и соответственно создаваемого сдвигового напряжения, необходимого для возникновения капиллярной конвекции на межфазной поверхности, удалось подтвердить в эксперименте с использованием двухслойной системы "деионизированная вода — хлорбензол" (межфазное натяжение Да = 38.1 дин/см [14]). Капля раствора изопропилового спирта в хлорбензоле вносилась на межфазную поверхность со стороны хлорбензола как наиболее тяжелой жидкости системы.
д
Фиг. 2. Эволюция поля концентрации при внесении капли раствора изопропилово-го спирта на межфазную поверхность воды и хлорбензола со стороны хлорбензола при Сй = 2% (время с момента касания: а-г — 1.64; 2.64; 3.56; 5.00 с) и при Сй = 3% (д-з - 1.12; 1.72, 2.08, 3.00 с), Ь = 0.38 см
На фиг. 2 представлены две серии интерферограмм. Первая серия (левый столбик) демонстрирует достижение каплей ПАВ в виде струи с Са = 2% границы раздела жидкостей (фиг. 2, а) и ее дальнейшее гравитационное растекание без развития капиллярного движения (фиг. 2, б-г). Увеличение концентрации ПАВ в капле до Са = 3% вызывает "вспышку" конвекции Марангони (фиг. 2, е-ж). Капиллярное движение отличается достаточной симметричностью относительно межфазной границы и малым проникновением, как в объем воды, так и в объем хлорбензола. Наиболее ярко сим-
метричность течения в обеих жидкостях проявляется на завершающей стадии "вспышки" конвекции Марангони — при возникновении возвратного движения поверхности (фиг. 2, з). Его появление обусловлено конечным размером межфазной поверхности: пленка примесей, оттесненная капиллярным движением к границам полости, возвращается в исходное положение по мере растворения (десорбции) внесенного ПАВ в объеме контактирующих жидкостей. Столкновение потоков жидкости, вызванных возвратным дви
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.