Scientific journal
Fundamental research
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,749

THE LIGHT INDUCED MECHANISM OF THE BUBBLE CLUSTERS FORMATION

Kuzin A.A. 1 Ivanova G.D. 1 Kiryushina S.I. 1 Myagotin A.V. 1
1 Far Eastern State Transport University
The light induced mechanism of bubble clusters formation has been investigated experimentally. It was detected the accumulation of bubbles in the cluster in the light field in almost horizontal closed cell (the horizontal skew angle was not more than 20°). The shape and dimensions of the cluster match the mode structure of the laser spot. The nature of the phenomenon is based on the existence of the thermocapillary forces, which push a suspension of bubbles in a heated area, as well as there are the adhesion forces. The light induced bubble clusters are formed in the case of free-surface liquids also. The dynamical bubble cluster foundation is described on the liquid surface. It is shown that the presence of inhomogeneous heat radiation, effective interaction of bubbles with each other (in the case of free surface) and with the surface of a solid body (closed cells) may lead to the formation of stable bubble clusters at the developed convection.
mass transport in the binary media
microparticle thermocapillary drift
bubble cluster
light induced convection
1. Doronin I.S. Termodiffuzija nanochastic v zhidkosti / I.S. Doronin, G.D. Ivanova, A.A. Kuzin, K.N. Okishev // Fundamentalnye issledovanija. 2014. no. 6–2. рр. 238–242.
2. Ivanov V.I. Mikrogeterogennye sredy dlja dinamicheskoj golografii / V.I. Ivanov, G.D. Ivanova, S.I. Kirjushina, A.V. Mjagotin // Fundamentalnye issledovanija. 2014. no. 12–12. рр. 2580–2583.
3. Ivanov V.I. Obrashhenie volnovogo fronta pri chetyrehvolnovom smeshenii nepreryvnogo izluchenija v uslovijah silnogo samovozdejstvija / V.I. Ivanov, A.I. Illarionov, I.A Korosteleva // Pisma v zhurnal tehnicheskoj fiziki. 1997. T. 23. no. 15. рр. 60–63.
4. Ivanov V.I., Ivanova G.D., He V.K. Vlijanie termodiffuzii na termolinzovyj otklik v zhidkofaznoj dispersnoj srede// Fiziko-himicheskie aspekty izuchenija klasterov, nanostruktur i nanomaterialov, mezhvuz. sb. nauch. tr. / pod obshh/ red / V.M. Samsonova, N.Ju. Sdobnjakova. Tver: Tver. gos. un-t, 2013. Vyp. 5. рр. 112–115.
5. Ivanov V.I., Ivanova G.D., He V.K. Teplovoe samovozdejstvie izluchenija v tonkoslojnoj zhidkofaznoj srede // Sovremennye problemy nauki i obrazovanija. 2014. no. 6. URL: www.science-education.ru/120-17046.
6. Ivanov V.I., Karpec Ju.M., Okishev K.N., Livashvili A.I. Termodiffuzionnyj mehanizm prosvetlenija dvuhkomponentnoj sredy lazernym izlucheniem // Izvestija Tomskogo politehnicheskogo universiteta. 2007. T. 311. no. 2. рр. 39–42.
7. Ivanov V.I., Kuzin A.A., Livashvili A.I., He V.K. Dinamika svetoinducirovannoj teplovoj linzy v zhidkofaznoj dvuhkomponentnoj srede // Nauchno-tehnicheskie vedomosti Sankt-Peterburgskogo gosudarstvennogo politehnicheskogo universiteta. Fiziko-matematicheskie nauki. 2011. T. 4. no. 134. рр. 44–46.
8. Ivanov V.I., Kuzin A.A., Okishev K.N.Opticheskaja levitacija nanochastic: monografija. Habarovsk: Izd-vo DVGUPS, 2008. 105 р.
9. Ivanov V.I., Livashvili A.I. Jeffekt Djufura v dispersnoj zhidkofaznoj srede v pole gaussova puchka // Fiziko-himicheskie aspekty izuchenija klasterov, nanostruktur i nanomaterialov, mezhvuz. sb. nauch. tr. / pod obshh. red. V.M. Samsonova, N.Ju. Sdobnjakova. Tver: Tver. gos. un-t, 2013. Vyp. 5. рр. 116–119.
10. Ivanova G.D. Dinamicheskie gologrammy v zhidkofaznoj dispersnoj srede / G.D. Ivanova, S.I. Kirjushina, A.V. Mjagotin // Fundamentalnye issledovanija. 2014. no. 9–10. рр. 2164–2168.
11. Ivanova G.D. Dinamicheskie gologrammy v nanosuspenzii / G.D. Ivanova, S.I. Kirjushina, A.V. Mjagotin // Fiziko-himicheskie aspekty izuchenija klasterov, nanostruktur i nanomaterialov, mezhvuz. sb. nauch. tr. / pod obshh. red. V.M. Samsonova, N.Ju. Sdobnjakova. Tver: Tver. gos. un-t, 2014. Vyp. 6. рр. 122–125.
12. Ivanova G.D. Issledovanie javlenij massoperenosa v binarnyh sredah termograficheskim metodom / G.D. Ivanova, S.I. Kirjushina, A.A. Kuzin // Sovremennye problemy nauki i obrazovanija. 2014. no. 2. URL: www.science-education.ru/116-12579.
13. Livashvili A.I., Ivanova G.D., He V.K. Stacionarnyj termolinzovyj otklik nanozhidkosti// Fiziko-himicheskie aspekty izuchenija klasterov, nanostruktur i nanomaterialov, mezhvuz. sb. nauch. tr. / pod obshh. red. V.M. Samsonova, N.Ju. Sdobnjakova. Tver: Tver. gos. un-t, 2014. Vyp. 6. рр. 227–230.
14. Okishev K.N., Ivanov V.I., Klimentev S.V., Kuzin A.A., Livashvili A.I. Termodiffuzionnyj mehanizm nelinejnogo pogloshhenija suspenzii nanochastic // Optika atmosfery i okeana. 2010. T. 23. no. 2. рр. 106–107.
15. Ivanov V.I., Karpets Yu.M. Thermocapillary mechanism of laser beam self-action in a two component medium // Proc. SPIE. 2000. Vol. 4341. рр. 210–217.

Исследование светоиндуцированных процессов тепло- и массопереноса в жидкофазных средах имеет важное значение для передовых микроэлектронных технологий, биомедицинских приложений, а также для различных областей науки и техники [1–15]. Однако на эффекты массопереноса может оказывать значительное и трудно контролируемое влияние термоиндуцированная конвекция. Возникновение конвективных течений в жидкости может быть обусловлено как наличием температурного градиента на поверхности (термокапиллярная конвекция), так и наличием градиента концентрации ПАВ (концентрационно-капиллярная конвекция). При наличии конвекции процессы массопереноса в гетерофазных жидкостях в неоднородном тепловом поле могут приводить к образованию упорядоченных динамических структур [1–5]. Такие процессы представляют особенный интерес для реализации разнообразных технологических приемов самосборки или самоорганизации.

Цель исследования. В данной работе исследован термокапиллярный механизм пузырькового кластерообразования в жидкофазной среде в условиях развитой конвекции с использованием комплексной экспериментальной методики, включающей термографический метод.

В экспериментальной установке использовались источники лазерного излучения различного спектрального состава, малогабаритная IP видеокамера AVIOSYS AK9060 и термограф.

В экспериментах по взаимодействию излучения непрерывного CO2-лазера (мощность излучения Pизл = 6 Вт, длина волны λген = 10 мкм) с органическими жидкостями было обнаружено, что всплывающие под действием архимедовой силы пузырьки газа могут левитировать в области лазерного пятна. При этом поднимающийся пузырек «застревает» в области, которая нагревается излучением, несмотря на развитую тепловую конвекцию жидкости в вертикальной кювете. При почти горизонтальной кювете (угол отклонения от горизонтали не более 20°) происходит накопление пузырьков в кластер. Форма и размеры кластера соответствуют модовой структуре лазерного пятна (рис. 1). Толщина слоя жидкости в кювете составляет 130 мкм. Размеры пузырьков также лежат в диапазоне 50–100 мкм. Нагрев жидкости в кювете в центре лазерного пятна достигал 60 °С.

Для интерпретации описанного явления рассмотрим термокапиллярный механизм образования пузырьковых кластеров в поле излучения. Простейшая оценка силы, удерживающей пузырек в нагретой области, основана на существовании термокапиллярной «силы», направленной вдоль градиента температуры [15]. Данная сила зависит от коэффициента поверхностного натяжения σ, который является функцией температуры:

kuzin01.wmf (1)

где T – температура; R – радиус пузырька; x – координата вдоль слоя жидкости.

Приравнивая эту силу к выталкивающей силе Архимеда FA, получаем условие левитации:

kuzin02.wmf (2)

где ρ – плотность жидкости; g = 9,8 мс–2.

Например, подставляя следующие значения параметров для воды ρ = 103 кгм–3, kuzin03.wmf получаем

kuzin04.wmf.

Наклоном кюветы можно уменьшить продольную составляющую FA практически до нуля, и таким образом градиента 103–104 Км–1 (что соответствует условиям эксперимента) достаточно, чтобы пузырек не всплывал. Поскольку кювета почти горизонтальна, существенное значение имеет адгезионная сил, «закрепляющая» пузырек на верхней поверхности окна кюветы в области лазерного пятна и частично компенсирующая стоксову силу вязкости в конвективном потоке.

Таким образом, полученные результаты демонстрируют эффективность термокапиллярного действия лазерного излучения, а также возможность светоиндуцированного образования устойчивого пузырькового кластера.

Для исследования термокапиллярного движения пузырьков на свободной поверхности жидкости в световом поле была проведена отдельная серия экспериментов.

pic_2.tif pic_3.tif

pic_4.tif pic_5.tif

Рис. 1. Фотографии, демонстрирующие образование пузырьковых кластеров в закрытой кювете, форма которых соответствует пространственному распределению интенсивности излучения в лазерном пятне

На предметный столик установки помещалась горизонтальная кювета без верхнего окна c жидкостью, толщина слоя которой составляла 0,4–0,8 мм. На поверхность исследуемой жидкости (дистиллят с добавлением поглощающего излучение компонента) фокусировался пучок лазерного излучения, источником которого являлся гелий-неоновый лазер (мощность излучения Pизл = 60 мВт, длина волны λген = 0,6 мкм).

Пузырьки образовывались на центрах поглощения (микрочастицах туши) в жидкости при ее нагреве падающим излучением. С помощью видеокамеры зафиксирован дрейф пузырьков в область максимума температуры жидкости.

В ходе проведения исследования наблюдался эффект образования пузырькового кластера в жидкофазной среде в световом пятне. При этом кластер имеет динамическую структуру (пузырьки не прикасаются друг к другу) и характеризуется упорядоченной структурой (рис. 2–3).

pic_6.tif

Рис. 2. Динамика образования пузырькового кластера на поверхности жидкости (указано время от начала воздействия светового излучения в секундах), размер изображения 1,8 мм, толщина слоя жидкости 0,4 мм

pic_6.tif

Рис. 3. Динамика образования пузырькового кластера на поверхности жидкости (указано время от начала воздействия светового излучения в секундах), размер изображения 1 мм, толщина слоя жидкости 0,6 мм

Как показали проведенные оценки на основе формул для скорости дрейфа пузырьков в объемной жидкости, скорость термокапиллярного дрейфа значительно превышает скорость конвективного поверхностного движения (которая в условиях эксперимента составляла всего 5–10 % от дрейфовой).

Таким образом, термокапиллярный дрейф пузырьков на свободной поверхности жидкости может также определять их динамику даже в условиях развитой конвекции.

Выводы

Приведенные в данной работе данные демонстрируют, что массоперенос в двухфазной жидкости, обусловленный термокапиллярным механизмом, может значительно превышать конвективный. Наличие неоднородного нагрева излучением, эффективного взаимодействия пузырьков друг с другом (в случае свободной поверхности) и с поверхностью твердого тела (для закрытой кюветы) может приводить к образованию устойчивых пузырьковых кластеров в условиях развитой конвекции.

Полученные результаты могут найти применение в различных задачах лазерной обработки материалов, биомедицинских приложениях, а также представляют интерес для оптической диагностики многофазных сред [1–3, 8–14].

Рецензенты:

Карпец Ю.М., д.ф.-м.н., профессор кафедры «Физика и теоретическая механика», ФГБОУ ВПО «Дальневосточный государственный университет путей сообщения», г. Хабаровск;

Криштоп В.В., д.ф.-м.н., профессор кафедры физики, проректор по учебной работе, ФГБОУ ВПО «Дальневосточный государственный университет путей сообщения» Министерства транспорта РФ, г. Хабаровск.