Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение

высшего образования

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Отчёт по лабораторной работе

«Исследования смачивания и растекания в процессе интенсивного испарения капли, лежащей на твёрдой поверхности»

по курсу «Источники и системы теплоснабжения предприятий»

Выполнили студенты гр.5Б2Б Аёшина Т.Н.

Алимов Д.Ш.

Барило А.С.

Томск - 2015



Оглавление

Введение

Методика проведения эксперимента

Обработка результатов

Обработка видео

Вывод по работе



Введение

В настоящее время задача об испарении капель привлекла к себе значительное внимание в связи с новыми приложениями. Речь идёт о приготовлении ультра-чистых поверхностей, о кристаллографии протеинов, об изучении растяжения молекул ДНК и о методе изображений ДНК, о развитии методов струйной печати [1]. В данной работе с помощью программы Drop Shape Analysis были определены характерные параметры (угол смачиваемости, вес капли, объём и т.д.) тремя методами.

Цель работы: исследования смачивания и растекания в процессе интенсивного испарения капли, лежащей на твёрдой поверхности (подложка из алюминия). капля испарение скорость струйный

Задачи:

1 определить полное время испарения капель различного объёма;

2 рассчитать удельную мгновенную скорость испарения капли;

3 рассчитать полную скорость испарения капель различного объёма;

4 выявить зависимости:

· скорости испарения капель от времени испарения

· диаметра капель от времени испарения

· контактного угла, определённого тремя методами, от времени испарения

· начального диаметра от объёма капли

· начального контактного угла от объёма капли

5 рассчитать погрешности метода и объёма.



Методика проведения эксперимента

Для проведения эксперимента использовалась установка, изображённая на рис. 1.

Рисунок 1 - Схема установки:

1-фотоаппарат Nikon, 2-подложка из алюминия, 3-источник плоскопараллельного света, 4-высокоскоростаня камера, 5-источник питания, 6-элемент Пелетье, 7-оптическая столешница.

Экспериментальная установка состоит из следующих элементов: фотоаппарат Nikon(1); рабочий участок, состоящий из алюминиевой подложки(2), нагретой элементом Пелетье(6), соединённым с источником питания(5); все элементы схемы расположены на оптической столешнице(7).

Порядок проведения экспериментов:

1. Исследуемая подложка, предварительно очищенная от загрязнений с помощью замачивания в дистиллированной воде, закрепляется на столике и выравнивается в горизонтальной плоскости с помощью регулировочных винтов.

2. Подложка нагревается с помощью элемента Пельтье до установления стационарного режима. Температура под подложкой и на ее поверхности фиксируется установленными термопарами. Температура подложки 40?С.

3. С помощью шприца-дозатора капля заданного объема помещается на нагретую подложку.

4. Далее осуществляется видеосъемка со скоростью 8 кадр в секунду, а также с помощью камеры со скоростью 1 кадр в секунду, закрепленной сверху, фиксируется поведение капли на подложке.

5. Опыт продолжается до полного испарения капли.

6. Затем начинается стадия обработки данных, которая включает в себя:

* Раскадровку видеофайла на отдельные снимки в программной среде Fast Video Lab;

* Преобразование кадров до необходимого расширения и изменение размеров;

* Обработку в программе Drop Shape Analysis.

* Построение графических зависимостей по результатам обработки.

Обработка результатов

Капля объёмом 20 мкл

После проведения эксперимента определяется масштаб: 104,681 пиксель/мм.

1 Тангенциальный метод I

2 Тангенциальный метод II

3 Метод Юнга-Лапласа

Рассчитаем:

ь полное время испарения:

,

где n-количество кадров.

ь полную скорость испарения:

,

где V-объем капли.

ь мгновенную удельную скорость испарения:

Графические зависимости:

1 Зависимость диаметра капли от времени испарения

Проанализировав полученную зависимость, можно сказать, что с течением времени диаметр капли меняется незначительно.

2 Зависимость мгновенной удельной скорости испарения от времени.

Проанализировав данную зависимость, можно сказать, что мгновенная удельная скорость испарения меняется скачкообразно.

3 Зависимость контактного угла от времени испарения для трёх методов.

Исходя из полученных зависимостей, можно сделать вывод, о том, что с течением времени контактный угол уменьшается. При этом зависимость контактного угла от времени испарения, полученного методом Юнга-Лапласа, является наиболее точной.

Капли всех последующих объёмов обрабатываются аналогично.

Капля объёмом 10 мкл.

Рассчитаем:

ь полное время испарения:

,

где n-количество кадров

ь полную скорость испарения:

,

где V-объем капли

ь мгновенную удельную скорость испарения:

=0,001089325,

Графические зависимости:

1 Зависимость диаметра капли от времени испарения

2 Зависимость мгновенной удельной скорости от времени испарения



3 Зависимость контактного угла от времени испарения для трёх методов.

Капля объёмом 30 мкл

Рассчитаем:

ь полное время испарения:

,

где n-количество кадров

ь полную скорость испарения:

,

где V-объем капли

ь мгновенную удельную скорость испарения:

= 0,001864878,

Графические зависимости:

1 Зависимость диаметра капли от времени испарения

2 Зависимость мгновенной удельной скорости от времени испарения

3 Зависимость контактного угла от времени испарения для трёх методов.



Капля объёмом 40 мкл

Рассчитаем:

ь полное время испарения:

,

где n-количество кадров

ь полную скорость испарения:

,

где V-объем капли

ь мгновенную удельную скорость испарения:

= 0,001540239,

Графические зависимости:

1 Зависимость диаметра капли от времени испарения



2 Зависимость мгновенной удельной скорости от времени испарения

3 Зависимость контактного угла от времени испарения для трёх методов.

Капля объёмом 50 мкл

Рассчитаем:

ь полное время испарения:

,

где n-количество кадров

ь полную скорость испарения:

,

где V-объем капли

ь мгновенную удельную скорость испарения:

= 0,000438,

Графические зависимости:

1 Зависимость диаметра капли от времени испарения

2 Зависимость мгновенной удельной скорости от времени испарения



3 Зависимость контактного угла от времени испарения для трёх методов.

Капля объёмом 60 мкл

Рассчитаем:

ь полное время испарения:

,

где n-количество кадров

ь полную скорость испарения:

,

где V-объем капли

ь мгновенную удельную скорость испарения:

= 0,003432282,

Графические зависимости:

1 Зависимость диаметра капли от времени испарения

2 Зависимость мгновенной удельной скорости от времени испарения



3 Зависимость контактного угла от времени испарения для трёх методов.

Графические зависимости, полученные для всех шести объёмов.

1 Зависимость контактного угла от объема капель



2 Зависимость начального диаметра от объема капель

Расчет отклонения:

v Метода

Исходя из вышеприведенных графических зависимостей, метод Юнга-Лапласа наиболее эффективен и выдает самые точные результаты обработки, следовательно, расчёт погрешности будет произведён относительно этого метода.

ь 10 мкл

ь 20 мкл



ь 30 мкл

ь 40 мкл

ь 50 мкл

ь 60 мкл

v Объема

Сравним фактические значения объёма капель с данными по заданию

ь 10 мкл



ь 20 мкл

ь 30 мкл

ь 40 мкл

ь 50 мкл

ь 60 мкл

Столь высокая погрешность связана с растеканием капли по подложке (в связи с трудностью точной посадки капли на поверхность).

Обработка видео

Капля объёмом 10 мкл



Кадр №1, время t=1c.

Кадр № 121, время t=121c.

Кадр № 61, время t=61c

Кадр № 121, время t=121c.



Кадр № 181, время t=181c.

Кадр № 241, время t=241 с

Кадр № 301, время t=301c.

Кадр № 361, время t=361c.



Кадр № 441, время t=441c.

Кадр № 521, время t=521c.

Капля объёмом 20 мкл

Кадр №1, время t=1 c

Кадр №81, время t=81 с



Кадр №161, время t=61 c

Кадр №241, время t=241 с

Кадр №321, время t=321 с

Кадр №401, время t=401 c



Кадр № 481, время t=481 с

Кадр № 561, время t=561 c

Кадр №661, время t=661 с

Кадр №641, время t=641 с



Капля объёмом 30 мкл

Кадр № 1, время t=1 с

Кадр № 81, время t=81 с

Кадр № 161, время t=161 с

Кадр № 241, время t=241 с



Кадр № 321, время t=321 с

Кадр № 401, время t=401 с

Кадр № 481, время t=481 с

Кадр № 561, время t=561 с



Кадр № 641, время t=641 с

Капля 40 мкл

Кадр № 1, время t=1 с

Кадр № 81, время t=81 с

Кадр № 161, время t=161 с

Кадр № 241, время t=241 с

Кадр № 321, время t=321 с

Кадр № 401, время t=401 с

Кадр № 481, время t=481 с



Кадр № 561, время t=561 с

Кадр № 641, время t=641 с

Капля 60 мкл

Кадр № 1, время t=1c.

Кадр №81, время t=81c.



Кадр №161, время t=161c.

Кадр №241, время t=241c.

Кадр № 321, время t=321c.

Кадр № 401, время t=401c.



Кадр № 481, время t=481c

Кадр № 561, время t=561c.



Вывод по работе

В данной работе были исследованы явления смачивания и растекания в процессе интенсивного испарения капли, лежащей на твёрдой поверхности (подложка из алюминия).

Были решены следующие задачи:

1 Определено полное время испарения капель различного объёма:

2 Рассчитана удельная мгновенная скорость испарения капли:

3 Рассчитана полная скорость испарения капель различного объёма:

4 Выявлены зависимости:

· Скорости испарения капель от времени испарения

Опыт был произведен не в идеальных условиях (непостоянная температура окружающей среды, движение воздушных потоков и человеческий фактор), поэтому полученная зависимость имеет хаотичный характер.

· Диаметра капель от времени испарения

С течением времени диаметр капель меняется незначительно, так как площадь поверхности испарения в нижней части капли мала по сравнению с верхней частью. То есть верхняя часть капли испаряется быстрее нижней.

· Изменения контактного угла, определённого тремя методами, от времени испарения

Контактный угол - это угол, образованный касательными плоскостями к межфазным поверхностям, ограничивающим смачивающую жидкость, а вершина угла лежит на линии раздела трёх фаз. При испарении капли, высота капли уменьшается, следовательно, уменьшается и контактный угол.

· начального контактного угла от объёма капли

Исходя из физического смысла контактного угла следует, что при увеличении объёма контактный угол увеличивается, что подтверждается полученными зависимостями.

· начального диаметра от объёма капли

Исходя из геометрических соображений и полученных графических зависимостей следует, что при увеличении объема капли диаметр растет.

5 Вычислены следующие отклонения:

· Методов

Метод Юнга - Лапласа является самым эффективным и точным, так как данные, полученные методом Тангенциальный II не включают объем капли, а метод Тангенциальный I не обрабатывает почти испарившиеся капли, что можно увидеть из графических зависимостей.

Поэтому погрешность была определена относительно данного метода.

· Объёмов

На основании того, что погрешность объема капли велика при построении зависимостей были использованы фактические значения объёмов.



Список использованной литературы

1 Бараш Л.Ю., Испарение и динамика лежащей на подложке капли: автореф. дис. по ВАК 01.04.02/кандидат физико-математических наук Бараш Лев Юрьевич; Москва, 2009.- 74 с.

Размещено на Allbest.ru

...