Нестационарная концентрационная конвекция Марангони в вертикальных слоях жидкости

• Автор: Денисова, Мария Олеговна
• Шифр специальности: 01.02.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Пермь
• Количество страниц: 150 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ
Глава 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ
1.1. Экспериментальные исследования концентрационно-капиллярной конвекции
1.2. Колебательные режимы конвекции Марангони
1.3. Влияние поверхностно-активных примесей на развитие и структуру капиллярных течений
1.4. Выводы
Глава 2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ УСЛОВИЙ ВОЗНИКНОВЕНИЯ КОНВЕКЦИИ МАРАНГОНИ ПРИ ЛОКАЛЬНОМ ВНЕСЕНИИ ПОВЕРХНОСТНОАКТИВНОГО ВЕЩЕСТВА
2.1. Экспериментальная установка и методика эксперимента
2.1.1. Установка
2.1.2. Методика проведения эксперимента
2.2. Эволюция полей концентрации и течений
2.3. Определение условий развития капиллярной конвекции на свободной поверхности воды и водных растворов спиртов
2.4. Время запаздывания возникновения концентрационно-капиллярной конвекции
2.5. Эволюция концентрационного поля на поверхности и в объеме жидкости при развитии капиллярного течения
2.6. Развития капиллярной конвекции на межфазной границе
2.7. Определение состава поверхностно-активных примесей
2.8. Влияние поверхностной активности ПАВ на возникновение концентрационно-капиллярной конвекции
2.9. Численное моделирование возникновения концентрационнокапиллярной конвекции
2.10. Обсуждение результатов и выводы
Глава 3. КОЛЕБАТЕЛЬНЫЕ РЕЖИМЫ КОНЦЕНТРАЦИОННОЙ КОНВЕКЦИИ ВБЛИЗИ ПУЗЫРЬКОВ И КАПЕЛЬ В НЕОДНОРОДНОМ РАСТВОРЕ ПАВ, ЗАПОЛНЯЮЩЕМ ГОРИЗОНТАЛЬНЫЙ ПРЯМОУГОЛЬНЫЙ КАНАЛ
3.1. Экспериментальная установка и методика
3.2. Колебательные режимы концентрационно-капиллярной конвекции вблизи боковой поверхности капли
3.3. Колебательные режимы концентрационно-капиллярной конвекции вблизи боковой поверхности пузырька воздуха
3.3.1. Определение степени влияния средней концентрации раствора
ПАВ на величину порога для возникновения конвекции Марангони
3.3.2. Определение степени влияния поверхностной активности ПАВ
на величину периода колебаний
3.4. Выводы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Список используемых сокращений и обозначений
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ
Диссертационная работа посвящена определению условий возникновения конвекции Марангони в системах жидкостей со свободной либо межфазной поверхностью. Причиной движения является действие капиллярных сил, тангенциально направленных к границе раздела фаз и возникающих как отклик системы на неоднородное распределение поверхностного натяжения. В большинстве случаев капиллярный механизм движения активно взаимодействует с гравитационным, играющим ведущую роль. Однако, при снижении интенсивности гравитационной конвекции в результате уменьшения объема жидкости или вертикального размера полости, а также в условиях мнкрогравитации капиллярные силы могут выйти на передний план и определить как структуру течения, так характер тепломассопереноса.
К настоящему времени хорошо исследована термокапиллярная конвекция, при которой источником формирования неоднородного распределения поверхностного натяжения является локальное изменение температуры. Концентрационнокапиллярная конвекция изучена намного слабее ввиду больших характерных времен диффузии массы и наличия таких нелинейных эффектов, как адсорбция поверхностно-активных веществ (ПАВ), их предельная растворимость, мицеллообразование при высоких концентрациях и т.д. Наиболее важным из них, несомненно, является адсорбция.
Адсорбция - процесс накопления на границе раздела фаз веществ с меньшей - по сравнению с базовой жидкостью - поверхностной энергией. Для однокомпонентной жидкости в качестве таких веществ могут выступать ее остаточные примеси, а также вещества, поступающие из контактирующей (газовой или жидкой) фазы в виде отдельных молекул и нерастворимых частиц (пыли). Уменьшение поверхностного натяжения за счет возникающей адсорбционной пленки приводит к снижению интенсивности конвекции Марангони. Кроме того, при относительно медленном создании градиента поверхностного натяжения адсорбированные молекулы и частицы могут

время задержки резко возрастает, и полное подавление конвекции Марангони наступает при внесении 8.0 мкл раствора, с погрешностью ±0.05 мкл. Авторы делают вывод, что механизм подавления термокапиллярной конвекции в данных экспериментах является концентрационно-капиллярным.

Tj, с

9 6 3 О
300 600 900 1200 1500 1800й’мкм 2
Рисунок 1.1 - Зависимость времени задержки термокапиллярного отклика различных проб воды от толщины слоя. Сплошными маркерами обозначены средние значения по трем точкам. Для каждой пробы приведена средняя относительная погрешность с доверительной вероятностью 0,80 [122].
Теоретически наблюдаемый эффект проанализирован А.Ю. Зуевой в работе [125], в которой методом математического моделирования продемонстрированы такие стадии фотоиндуцированной термокапиллярной конвекции, как ее задержка по времени, всплеск и выход на стационарный режим.
Интерес представляет и выяснение вопроса о развитии межфазного массопереноса в бинарных системах, уже имеющих на поверхности адсорбционную пленку ПАВ. Поиску ответа посвящены циклы работ де Е. Ортица и X. Савистовского (E.S. Perez de Ortiz, Н. Sawistowski) [126], а также М. Мендес-
° Вода очищенная от органики /
л Вода дистиллированная ' /
Вода для инъекций в ампулах, ОАО «Новосибхимфарм»