|
ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
ИСТИНА ИНХС РАН |
||
Распространение тепла в различных жидкостях при импульсном нагреве поверхноститезисы доклада
- Авторы: Захаров К.Н., Плаксина Ю.Ю., Пуштаев А.В., Руденко Ю.К., Винниченко Н.А., Уваров А.В.
- Сборник: ДЕВЯТАЯ МЕЖДУНАРОДНАЯ НАУЧНАЯ КОНФЕРЕЦИЯ-ШКОЛА МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ ФИЗИЧЕСКОЕ И МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ В ГЕОСРЕДАХ МОСКВА, ИПМЕХ РАН, 18-20 ОКТЯБРЯ 2023
- Тезисы
- Год издания: 2023
- Место издания: ИПМех РАН Москва
- Первая страница: 158
- Последняя страница: 160
- Аннотация: Проведённые ранее исследования показали, что на поверхности жидкости могут возникать различные граничные условия, которые обуславливаются наличием или отсутствием тонкой поверхностной плёнки [1-4]. В некоторых жидкостях (например, в этаноле) такой плёнки не образуется и удовлетворяются стандартные условия проскальзывания, а в жидкостях с высоким коэффициентом поверхностного натяжения (вода, глицерин) за счёт адсорбции различных примесей образуется поверхностная плёнка, которая препятствует массообмену поверхности с объёмом. Но поверхностная плёнка может рваться под действием напряжения (ветер, механическое смахивание верхнего слоя) и тогда, если она не успеет восстановится за счёт адсорбции, то возникает свободная поверхность. Помимо механического способа разрыва поверхностной плёнки, она может прорываться при возникновении достаточно большого градиента температуры из-за больших термокапиллярных сил. Удобство использования нагрева поверхности для анализа прочности пленки связано с возможностью фиксации поверхностного градиента температуры с помощью тепловизора, что позволяет получить количественные параметры поля сил, а также с возможностью вариации параметров при изменении мощности нагрева. В данной работе с помощью ИК-термографии и метода Moon-Glade BOS [1] исследовались особенности распространения тепла в жидкостях при импульсном ИК-нагреве их поверхности и определялось влияния поверхностной плёнки на этот процесс. При нагреве сверху отсутствует стандартный термогравитационный механизм, связанный со всплытием нагретой области – нагретая область уже находится сверху. Основным механизмом конвекции в этом случае оказывается хорошо известный термокапиллярный механизм, но при наличии пленки этот механизм блокируется [2,3] и основной оказывается горизонтальная (или боковая) конвекция, также связанная с действием силы тяжести, но более сложным механизмом перераспределения давления [4]. Предварительные измерения с импульсным нагревом различных жидкостей ИК-лазером мощностью 10 Вт в течении 2 с. показали, что в различных жидкостях формы расплывания тепловых пятен отличаются друг от друга (рис. 1). Для более устойчивой картины расплывания тепловых пятен в дальнейшем мы уменьшили мощность лазерного импульса. Были проанализированы особенности распространения тепла в воде и водном растворе глицерина 66% (жидкости, на поверхности которых образуется плёнка), в этаноле 96% и силиконовом масле (жидкости, на поверхности которых плёнка не образуется) при малых мощностях лазера (до 5% от максимальной мощности – 40 Вт). Экспериментально полученные распределения температур и рельефы поверхности показали, что поверхностная плёнка блокирует конвекцию Марангони, тепловое пятно локализуется в окрестности точки нагрева в отличие от жидкости со свободной поверхностью, где тепловое пятно от импульсного нагрева расплывается заметно быстрее. При этом, нагрев поверхности с плёнкой сопровождается поднятием поверхности в центре нагрева, а при нагреве жидкости со свободной поверхностью в начальный момент возникает опускание поверхности, а затем вспучивание центра и образование сложной структуры с немонотонным рельефом. При остывании локально нагретой жидкости с плёнкой тепловое пятно рассасывается, а поверхность выравнивается, а в случае жидкости со свободной поверхностью в момент прекращения нагрева наблюдается подъём более холодного слоя жидкости по центру и затем выравнивание поверхности примерно за одну секунду. Также, было проведено сравнение экспериментально полученных радиальных профилей температуры для дистиллированной воды и рельефов поверхности для этанола и раствора глицерина 54% с численным моделированием. Сравнение показало, что постановка корректных граничных условий на поверхности жидкости позволяет довольно точно приблизить численный расчет к экспериментально полученными результатам. Помимо экспериментов по исследованию распространения тепла по поверхности покоящейся жидкости, также проводились исследования в ветровом канале при различных скоростях обдува. Фиксируя с помощью ИК-термографии динамику распространения тепла по поверхности, мы обнаружили, что при импульсном нагреве движущийся поверхности с плёнкой тепловое пятно деформируется и может двигаться вместе с поверхностью как по ветру, так и против ветра, а в случае же свободной поверхности тепловое пятно движется по ветру и быстро рассасывается за счёт конвекции Марангони (рис. 2). Таким образом, отслеживая движение теплового пятна по поверхности воды, мы можем сделать вывод о наличии или отсутствии поверхностной плёнки. Работа была выполнена с использованием оборудования, приобретенного за счет средств Программы развития Московского университета. Литература/References: 1. Vinnichenko N. A., Pushtaev A. V., Plaksina Yu Yu, Uvarov A. V. Measurements of liquid surface relief with moon-glade background oriented Schlieren technique// Experimental Thermal and Fluid Science, 2020, V. 114, 110051 2. Плаксина Ю.Ю., Пуштаев А. В., Винниченко Н. А., Уваров А. В. Влияние малых примесей на формирование структур при конвекции Рэлея—Бенара—Марангони в плоском слое жидкости // ВМУ. Серия 3. Физика. Астрономия. 2018, № 5. С. 55–61. 3. Plaksina Yu.Yu., Uvarov A. V., Vinnichenko N. A., and Lapshin V. B. Experimental investigation of near-surface small-scale structures at water-air interface: Background oriented schlieren and thermal imaging of water surface //Russian Journal of Earth Sciences, 2012, V. 12, № 4, ES4002. 4. Rudenko Yu.K., Vinnichenko N.A., Plaksina Yu.Yu., Pushtaev A.V., Uvarov A.V. Horizontal convective flow from a line heat source located at the liquid–gas interface in presence of surface film // Journal of Fluid Mechanics, 2022, V. 944, A35.
- Добавил в систему: Захаров Кирилл Николаевич