Введение
Многокомпонентные дисперсные среды (жидкофазные смеси, суспензии, эмульсии) характеризуются наличием целого ряда специфических механизмов светоиндуцированного массопереноса, которые отсутствуют в однокомпонентных средах. К термоиндуцированным механизмам дрейфа частиц в неоднородном температурном поле относятся термодиффузия (термофорез) в газах, суспензиях, эффект Соре в жидкофазных бинарных смесях [3-9]. При этом при определенных условиях, например, термокапиллярное действие лазерного излучения может быть эффективнее светового давления, радиометрического эффекта, светореактивного и т.д. [1-3]. 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) [2].
Цель исследования
В данной работе исследован термокапиллярный механизм дрейфа микрочастицы в жидкофазной среде в условиях развитой конвекции с использованием комплексной экспериментальной методики, включающей термографический метод.
Экспериментальная методика и результаты
В экспериментальной установке (рис. 1) использовался гелий-неоновый лазер, малогабаритная IP видеокамера AVIOSYS AK9060 и термограф.
Рис. 1. Схема экспериментальной установки: 1 – гелий-неоновый лазер, 2,10 – фокусирующая линза, 3,9 – зеркало, 4 – опорное излучение, 5 – кювета с исследуемой жидкостью, 6 – светофильтр, 7 – видеокамера 9060AK, 8 – персональный компьютер, 11– термограф ИРТИС 2000
Исследуемая жидкость (5) помещалась в кювете на предметный столик. Для создания локального источника тепла в центральную область кюветы фокусировался пучок лазерного излучения, источником которого являлся гелий-неоновый лазер ГН-5 (1), мощность излучения P =60 мВт, длина волны λ=0,63 мкм. Распределение температуры на поверхности жидкости фиксировалось термографом ИРТИС-2000 (11). Спектральный диапазон измерений – (8÷12) мкм, диапазон измерений – -60÷300°С, погрешность измерения абсолютной температуры – ±1°С, размер изображения – 640х480, время формирования кадра – не более 1,6 сек. Для наблюдения и фиксации термоиндуцированных конвекционных течений снизу кюветы помещалась видеокамера (7). Спецификация камеры – Image Pickup Device: 1/3" Hi-CMOS, 0.8 Lux/F1.4; глубина цвета – 24 бит; формат изображения – JPEG одиночные кадры или Motion-JPEG (AVI), 3 уровня сжатия; поддерживаемые разрешения – 160x120, 320x240, 640x480.
На предметный столик установки помещалась чашка Петри (диаметр D=35мм) c жидкостью, толщина слоя которой составляла 0.4÷0.8 мм. На поверхность исследуемой жидкости (дистиллированная вода с добавлением поглощающего излучение компонента) фокусировался пучок лазерного излучения. Для наблюдения процессов, происходящих в жидкости, в вертикальной плоскости под кюветой помещался объектив с цифровой видеокамерой, изображения с которой записывались на компьютер. Контроль распределения температурного поля осуществлялся с помощью термографа, на который с помощью оптической системы проецировался верхний слой жидкости. Данные с термографа также обрабатывались на компьютере.
На рис. 2 показано сформированное лазерным пучком квазистационарное радиально симметричное распределение температуры на поверхности жидкости (раствор туши в дистиллированной воде).
С помощью видеокамеры наблюдался термокапиллярный дрейф пузырьков в область максимума температуры жидкости, обусловленный температурной зависимостью коэффициента межфазного натяжения. Пузырьки образовывались на центрах поглощения (микрочастицах туши) в жидкости при ее нагреве падающим излучением. Для количественного сравнения экспериментальных значений скорости и скорости термокапиллярного дрейфа необходимо учесть влияние конвективного движения жидкости.
Рис. 2. Распределение температуры на поверхности жидкости; t=100с.
Для исследования интенсивности конвективного массопереноса в открытой кювете использовался метод пробной частицы. На рис. 3 приведены изображения, демонстрирующие перемещение выделенной (кружок) пробной частицы в горизонтальной плоскости (кадры приведены с интервалом 6 с).
а) 
б) 
в) 
г) 
Рис. 3. Перемещение частицы в горизонтальной плоскости жидкофазной среды (а-б) – движение частицы к центру вблизи нижней границы слоя жидкости, (в-г) – движение частицы от центра вблизи поверхности жидкости
В результате анализа полученных данных были построены графики зависимости изменения горизонтального перемещения и скорости частицы от времени (рис. 4).
а) 
б) 
Рис. 4. Зависимость горизонтальной координаты пробной частицы от времени (а) и график изменения горизонтальной скорости частицы от времени (б)
На графиках видно, что скорость пробной частицы меняется циклично, что соответствует наличию конвективного потока соответствующего диаметра. При увеличении температуры жидкости амплитуда скорости и горизонтального перемещения пробной частицы увеличивается, что соответствует динамике центрального радиального конвективного потока.
Полученные данные позволили сравнить скорость термокапиллярного дрейфа пузырьков в конвекционном потоке и без него [1-3]. Как показал анализ данных, скорость поверхностного термокапиллярного дрейфа значительно превышает скорость конвективного поверхностного движения (которая в условиях эксперимента составляла всего 5-10 % от дрейфовой) и соответствует величинам, рассчитанным на основе формул для дрейфа пузырьков в объемной жидкости [6]. Таким образом, термокапиллярный дрейф микрочастиц, может определять массоперенос в микрогетерогенной среде даже в условиях развитой конвекции.
В ходе проведения исследования наблюдался эффект образования пузырькового кластера в жидкофазной среде в световом пятне. При этом кластер является динамическим (пузырьки не прикасаются друг к другу) и характеризуется упорядоченной структурой (рис. 5). Механизм образования и структура данного кластера во многом соответствуют таковым для воздушно-капельного кластера, описанного в недавней работе [10], и требуют отдельного детального исследования.
Рис. 5. Пузырьковый кластер на поверхности жидкости
Выводы
Методом пробной частицы измерены скорости светоиндуцированной конвекции в тонком слое бинарной жидкофазной смеси. Показано, что скорость движения пузырьков на поверхности жидкости по направлению и величине соответствует термокапиллярному эффекту и в условиях эксперимента в 5-10 раз превышает скорость конвективного массопереноса. Описано образование на поверхности жидкости динамического пузырькового кластера, характеризующегося упорядоченной структурой.
Приведенные в данной работе данные демонстрируют, что массоперенос в двухфазной жидкости, обусловленный термокапиллярным механизмом, может значительно превышать конвективный. Полученные результаты могут найти применение в области оптической диагностики многофазных сред [4, 6], а также представляют интерес в связи с различными применениями мощных лазеров для обработки материалов (лазерная технология), поскольку термокапиллярная конвекция играет значительную роль в технологических процессах, связанных с использованием жидких материалов (например, расплавленных металлов) – сварке, резке, легировании [2, 3].
Рецензенты:
Карпец Ю.М., д.ф.-м.н., профессор по кафедре физики, профессор кафедры «Автоматика телемеханика и связь» ФГБОУ ВПО Дальневосточный государственный университет путей сообщения, г. Хабаровск.
Криштоп В.В., д.ф.-м.н., профессор по кафедре физики, профессор кафедры «Физика и теоретическая механика» ФГБОУ ВПО Дальневосточный государственный университет путей сообщения, г. Хабаровск.