Фотоиндуцированный термокапиллярный эффект и его применение для измерения свойств жидкостей

• Автор: Федорец, Александр Анатольевич
• Шифр специальности: 02.00.04
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2002
• Место защиты: Тюмень
• Количество страниц: 146 с. : ил

СОДЕРЖАНИЕ

Список основных сокращений и обозначений

Введение

Глава I. Термокапиллярная конвекция, индуцированная

пучком лазера в тонком слое жидкости

1.1. Механизмы деформации свободной поверхности

жидкого образца, облучаемого лазерным пучком

1.2. Уточнение терминологии

1.3. Физические и геометрические параметры системы ПСП

1.4. Поле температур

1.5. Поле скоростей. Размеры ТК вихря

1.6. Термокапиллярное углубление
1.7. Термокапиллярный отклик
1.8. Области применения фототсрмических эффектов
Глава II. Экспериментальное исследование процесса развития термокапиллярного углубления
2.1. Экспериментальная установка
2.2. Свойства используемых жидкостей и подложек
2.1. Влияние диаметра лазерного пучка на углубление и отклик
2.1.1. Индуцирующий лазерный пучок
2.1.2. Пробный лазерный пучок
2.4. Эволюция ТК углубления
2.4.1 .Фотоабосрбционный метод измерения
глубины ТК прогиба
2.4.2. Предварительные опыты
2.4.3. Ход эксперимента
2.4.4. Преобразование зависимостей II г в зависимости
2.4.5. Предварительный анализ эволюционных зависимостей
2.4.6. Зависимость стационарной глубины ГК прогиба от интенсивности индуцирующего пучка
2.4.7. Сценарии развития ТК углубления
2.4.8.Стационарная глубина ТК прогиба как функция ф1УЛ г
2.4.9. Зависимость стационарной глубины ТК прогиба от толщины слоя
2.5. Путь развития фотоабсорбционного метода
2.6. Краткие выводы по второй главе
Глава III. Экспериментальное исследование динамики развития и релаксации термокапиллярного отклика
3.1. Методика эксперимента
3.2. Способы индуцирования ТК конвекции
3.3. Экспериментальные результаты
3.3.1. Прозрачный слой на поглощающей теплопроводной подложке
3.3.2. Эксперименты со слоями прозрачной и поглощающей жидкости на подложке с низкой теплопроводностью
3.4. Анализ процессов развития и релаксации ТК углубления
3.5. Краткие выводы по третей главе
Глава IV. Новые области применения фото индуцированного термокапиллярного эффекта
4.1. Общая схема эксперимента
4.2. Метод измерения толщины тонких жидких слоев
4.3. Метод контроля горизонтальности поверхности
4.4. Бесконтактные методы измерения вязкости жидкости
4.4.1. Методы измерения вязкости на основе стационарного ТК отклика
4.4.2. Динамический метод измерения вязкости
4.5. Методы измерения энергетических параметров лазерного пучка
4.5.1. Измерение мощности лазерного пучка по стационарному отклику
4.5.2. Измерение мощности непрерывного лазерного пучка и энергии одиночных импульсов по динамике развития отклика
4.6. Метод изготовления зеркалтрансформаторов распределения интенсивности лазерного пучка
4.7. Метод очистки твердой поверхности от жидких
загрязнений в виде капель или пленки смачивания
Заключение
Список литературы


Задачей диссертационной работы является создание экспериментальных методов исследования ФТК эффекта, раскрытие взаимосвязей характеристик системы ПСП и параметров ТК углубления и отклика, а также изучение возможности применения ФТК эффекта для измерения ряда свойств жидкостей. На Рис. Изучаемое явление относится к семейству эффектов Марангони, включающем термо и концентрационнокапиллярную конвекцию. Для краткости введем сокращение система ПСП. Рис. Схема, конкретизирующая объект исследования. Знаком отмечены ссылки, не имеющие прямого отношения к теме диссертации и приводимые лишь в качестве примера. Поэтому из рассмотрения можно исключить статьи по концентрационному механизму конвекции 6 конвекцию вызывали тепловым источником. Эта ситуация принципиально отлична от случая спонтанной конвекции, так как индуцировать ТК течения можно даже в системах сверхустойчивых для спонтанной конвекции в использование локализованного источника придает процессу осевую симметрию, при этом характер течений, экспериментальные методы и математическое описание качественно иные, чем в случае распределенных источников г ТК процесс индуцировали маломощным лазерным пучком в изначально жидком изотермичном слое. Температура в нагретой области лишь на несколько градусов превышала температуру окружающей среды. Поэтому, учитывая низкую летучесть используемых в экспериментах жидкостей, можно пренебречь эффектами, связанными с испарением слоя. Предмет экспериментального исследования определяется возможностями применяемых методик и имеющейся технической базой. Как у любого природного явления, у ФТК эффекта существуют внешние, легко наблюдаемые проявления, и скрытые, изучение которых требует сложного, дорогостоящего научного оборудования. В данном случае наиболее ярким проявлением эффекта является ТК отклик. Например, диаметр стационарного ТК отклика можно измерять с помощью обычной линейки ,. Для определения же профиля углубления, порождающего ТК отклик, уже требуется специализированный интерферометр . В силу миниатюрности конвективного вихря, еще сложнее изучать первоисточники деформации поверхности слоя поля температур и скоростей ТК течения. Известны лишь отдельные опыты по измерению ПОЛЯ скоростей с помощью трассирующих частиц ,, красящих и флюоресцирующих веществ ,. Задача измерения поля температур, повидимому, до сих пор не решена. Однако, появление чувствительных тепловизоров, позволяющих бесконтактно фиксировать маломасштабные распределения температур, позволяет надеяться на прорыв в этом направлении в ближайшем будущем. Определен новый, базирующийся на свойствах ФТК эффекта подход к решению ряда научнотехнических проблем, в рамках которого сформулированы шесть типов задач. Целесообразность применения для решения этих задач новых, основанных на ФТК эффекте методов, обоснована экспериментально. Излагаемый материал разбит на 4 главы. Глава 1, Рассмотрены эффекты взаимодействия оптического излучения с жидкостью. Показано, что в условиях исследования доминирующим является фотоиндуцированный термокапиллярный ФТК эффект. Введена система обозначений. Выполнен обзор литературных источников по ФТК эффекту. Перечислены области применения фототермических эффектов. Глава 2. Описан новый фотоабсорбционный метод измерения глубины ТК прогиба и приведены экспериментальные данные, раскрывающие влияние на процесс развития углубления мощности индуцирующего пучка, показателя поглощения жидкости и толщины ее слоя. Глава 3. Приведены результаты исследования процесса развития и релаксации ТК отклика и углубления, полученные по эволюционным зависимостям расходимости пучка отклика от пробного лазера. Глава 4. Экспериментально показано, что ФТК эффект может найти применение для измерения свойств жидкостей и их слоев, энергетических параметров лазерного пучка, а также для изготовления оптических микроэлементов сложного профиля, очистки твердых поверхностей от жидких загрязнений в виде капель или пленки смачивания. Международной Марангони Ассоциации МА , регулярно обсуждались на научнометодических семинарах физического факультета Тюменского госуниверситета использованы в изобретениях , опубликованы в работах ,,,.