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:
(1)
где T – температура; R – радиус пузырька; x – координата вдоль слоя жидкости.
Приравнивая эту силу к выталкивающей силе Архимеда FA, получаем условие левитации:
(2)
где ρ – плотность жидкости; g = 9,8 мс–2.
Например, подставляя следующие значения параметров для воды ρ = 103 кгм–3, получаем
.
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.
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).
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
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.
Библиографическая ссылка
Кузин А.А., Иванова Г.Д., Кирюшина С.И., Мяготин А.В. СВЕТОКАПИЛЛЯРНЫЙ МЕХАНИЗМ ОБРАЗОВАНИЯ ПУЗЫРЬКОВЫХ КЛАСТЕРОВ // Фундаментальные исследования. – 2015. – № 8-2. – С. 293-296;URL: https://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=38888 (дата обращения: 10.02.2025).