Экспериментальное исследование динамики развития и релаксации термокапиллярного отклика

Размещено на http://www.allbest.ru/

Экспериментальное исследование динамики развития и релаксации термокапиллярного отклика

Фотоабсорбционный метод дает информацию о процессе развития ТК углубления, имеющую прежде всего теоретическую ценность, например, для тестирования моделей ФТК конвекции. В силу технической сложности процедуры измерений и ограниченного круга систем ПСП, доступных для фотоабсорбционных опытов, трудно рассчитывать, что этот метод может найти применение в прикладных задачах [32-43], успешно решаемых с использованием свойств ТК отклика. Часто на практике система ПСП, в которой индуцируется конвекция с точки зрения порождающих ТК отклик процессов Имеются ввиду процессы формирования полей температур, давлений, скоростей, профиля ТК зеркала, т.е. все те взаимосвязанные процессы, которые порождают в коечном итоге тот или иной ТК отклик., является «черным ящиком», а интерес представляет лишь сам факт существования однозначной функциональной зависимости ТК оклика от того или иного параметра системы. Отклик наиболее интересен как своего рода бесконтактный индикатор свойств системы ПСП, сигнал которого - это его размер, форма и интерференционная структура.

Ранее [16,17,22], эксперименты с ТК откликом основывались на измерении диаметра DS стационарного отклика, в единственном сечении отраженного от углубления пучка. Недостатком такого подхода является зависимость D от расстояния S от слоя до экрана, осложняющая анализ экспериментальных результатов, полученных при разных S. Нормировка D на S [17] не снимает проблемы, так как в различных системах ПСП могут возникать ТК углубления, Рис. 3.1 по профилю существенно отличные друг от друга, но дающие ТК отклик одного диаметра. Конечно, такие отклики будут различимы по интерференционной структуре, однако детальный анализ этой характеристики откликов выходит за рамки проблематики данной работы. теплопроводный индуцирующий пучек

Размещено на http://www.allbest.ru/

Незначительное усложнение методики, связанное с наблюдением отклика не в одном, а в двух сечениях отраженного пучка, позволяет перейти от D к расходимости пучка отклика, которая однозначно определяется параметрами углубления, Рис. 3.1, и не зависит от S.

Методика эксперимента

Эволюцию ТК отклика исследовали на той же установке, на которой проводились эксперименты по фотоабсорбционной методике, Рис.2.4. Толщину и горизонтальность слоя контролировали ранее описанным способом, стр. 48. Каждый опыт включал следующие стадии:

При открытом индуцирующем пучке выдерживалось время, необходимое для стационаризации конвекции;

Затем индуцирующий пучок перекрывался электромеханическим затвором, после чего видеокамерой записывали процесс релаксации отклика;

Когда ТК деформация исчезала и поверхность слоя становилась плоской,

затвор открывали и записывали обратный процесс развития отклика.

Таким образом, были получены эволюционные зависимости угла расходимости пучка отклика для слоев окрашенного и прозрачного бензилового спирта на стеклянной и эбонитовой подложках при варьируемой интенсивности индуцирующего лазерного пучка и толщине слоя.

Способы индуцирования ТК конвекции

Совокупность экспериментальных данных, приведенных в [17] и параграфе 2.5 диссертации, свидетельствует, о существенном влиянии на ФТК эффект такой характеристики жидкости и подложки, как коэффициент поглощения излучения. Допустим, что за исключением небольших потерь на отражение от свободной поверхности жидкости, вся энергия индуцирующего пучка поглощается в слое и подложке. Возможны два предельных случая: сильно поглощающая жидкость, Рис.3.2а и прозрачная жидкость на поглощающей подложке Рис.3.2б.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Даже из такой упрощенной схемы, в которой тепловые свойства жидкости и подложки считаются одинаковыми и пренебрегается конвективным теплопереносом, видно, что углубление и отклик должны существенно зависеть от того, чем поглощается излучение и что в случае поглощающей жидкости при прочих равных условиях, следует ожидать более интенсивной ТК конвекции.

В новых методах измерений [32,34,38,43], основанных на ТК отклике, выбор способа индуцирования конвекции зависит не только от эффективности преобразования энергии лазерного пучка в механическую энергию конвективного вихря, но и от ряда других факторов. Например, в методах измерения параметров жидкостей и их слоев, намного удобней использовать поглощающую подложку, чем изменять длину волны индуцирующего пучка, подстраивая ее под диапазон поглощения той или иной жидкости. Это объясняет то внимание, которое уделено в этой главе изучению ТК отклика и углубления при разных способах ввода световой энергии в систему.

Экспериментальные результаты

В этом пункте приведены результаты экспериментального исследования процессов развития и релаксации отклика и углубления. Анализ этой информации сосредоточен в следующем пункте, где данные разных зависимостей обобщены с помощью нескольких схем.

Прозрачный слой на поглощающей теплопроводной подложке

Первой системой, в которой изучалась эволюция ТК отклика, был слой неокрашенного бензилового спирта на подложке в виде пластинки из оптического стекла марки СС4, которая поглощала 99 % падающего излучения Толщина пластинки 2 мм, спектральный показатель поглощения [89] _{=0.63 мкм} = 2.1 мм^-1.. Эти эксперименты дополняли исследование, описанное в параграфе 2.5, позволяя сравнить эффективность процесса индуцирования конвекции при разных способах ввода энергии в систему. Хотя теплопроводность стекла невелика по абсолютной величине (например, если сравнивать с металлами) она на порядок выше, чем у органических веществ, что позволяет рассматривать стекло как теплопроводный материал.

Графики эволюционных зависимостей угла расходимости пучка отклика показаны на Рис.3.3. Заметим, что как здесь, так и на аналогичных графиках, не отражены ранняя и поздняя стадии развития отклика, а также поздняя стадия его релаксации. Дело в том, что как в начале развития, так и на поздней стадии релаксации ТК прогиба, его фокус находится за плоскостью экрана (или вблизи нее), и тогда измерение технически неосуществимо. Поздняя же стадия развития отклика, на которой он медленно, в течение десятков секунд растет, приближаясь к стационарному размеру, опущена, как малоинформативная.

Из Рис.3.3 видно, что зависимости, описывающие развитие отклика, подобны эволюционным зависимостям глубины ТК прогиба, Рис.2.10, 2.11, а также аналогичным зависимостям из [16], см. Рис.1.8. То обстоятельство, что у Да Косты время развития отклика на порядок больше, чем в нашем случае, можно объяснить, учитывая разницу в вязкости бензилового спирта и тяжелой нефти месторождения Ориноко Белт, с которой получены результаты [16].

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Из Рис.3.4. видно, как при разной толщине слоя развитие откликов зависит от интенсивности пучка. Интересно то, что и в процессе развития и на стационарной стадии, изменение h0 почти не отражается на ТК отклике. Это расходится с результатами [17,32], согласно которым по отклику можно измерять толщину жидкого слоя, с точностью до нескольких микрон. К объяснению этого противоречия вернемся в параграфе 3.6.

Зная расходимость пучка отклика и расстояние от слоя до экрана, можно вычислить (см. Приложение 5) такую важную характеристику ТК углубления, как радиус линии перегиба. Графики Рис.3.5 и 3.6, построенные по данным зависимостей Рис.3.3, показывают, как изменение толщины слоя и интенсивности индуцирующего пучка сказывается на процессах развития и релаксации углубления.

Заметим, что ход зависимостей (t) и ri(t) является подобным. Как и в случае расходимости пучка отклика, изменение толщины слоя слабо сказывается на эволюции радиуса линии перегиба - снижение h0 на 40 % приводит к уменьшению ri(ts) всего примерно на 10 %. Более резко выражено влияние интенсивности пучка. Так, 2-х кратный рост Iwдает 3-х кратное увеличение расходимости и почти 6-и кратное увеличение ri(ts).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Следует отметить, что в данной системе на стационарной стадии углубление имеет очень большой (относительно пучка) радиальный размер. С ростом интенсивности индуцирующего пучка отношение достигает 6, в то время как, в случае окрашенного бензилового спирта отношение не превышало значения 1.8.

Эксперименты со слоями прозрачной и поглощающей жидкостей на подложке с низкой теплопроводностью

Эта серия опытов проводилась со слоями неокрашенного и окрашенного нильским синим (Раствор №2) бензилового спирта на поглощающей излучение эбонитовой подложке.

Размещено на http://www.allbest.ru/

На Рис.3.7 показано, как на стационарной стадии конвекции расходимость пучка отклика связана с интенсивностью индуцирующего пучка. Зависимости для поглощающей и прозрачной жидкостей совпадают в пределах погрешности эксперимента, и лишь в наиболее толстом жидком слое и при низкой интенсивности лазерного пучка размер отклика в случае поглощающей жидкости оказывается заметно больше. Это значит, что преобразование энергии излучения в этих системах происходит примерно с одинаковой эффективностью и интенсивность конвекции в них также примерно одинакова, а повышенные кондуктивные потери энергии, свойственные случаю прозрачной жидкости, становятся заметны лишь при наименее благоприятных для развития конвекции условиях. По-видимому, это связано с тем, что теплопроводность эбонита и бензилового спирта близки и обе системы одинаково хорошо поглощают излучение. Также отметим, что, в отличие от рассмотренного в п. 3.3.1 случая теплопроводной подложки (Рис.3.4), влияние толщины слоя на отклик ярко выражено.

На Рис.3.8 приведены графики эволюционных зависимостей расходимости пучка отклика и радиуса линии перегиба при одной толщине слоя, но разной интенсивности индуцирующего пучка. Анализ релаксационных кривых дан в п. 3.4. Из эволюционных зависимостей следует, что в случае прозрачной жидкости развитие отклика запаздывает, но затем протекает примерно с той же скоростью. Причем, чем ниже интенсивность излучения, тем сильнее проявляется это запаздывание. Наконец, при минимальной интенсивности, разница в пользу отклика от окрашенной жидкости сохраняется вплоть до стационарной стадии конвекции.

Запаздывание в развитии отклика отчасти можно объяснить тем, что в случае прозрачной жидкости для распространения тепла от подложки до свободной поверхности слоя требуется время, определяемое толщиной слоя и температуропроводностью жидкости [17]:

(3.1).

В нашем случае, h0=380 мкм, кl210-7Вт/мК. Отсюда 0.7 с. Основная же причина запаздывания, по-видимому, заключается в том, что для прогрева подложки до температуры, при которой происходит смена кондуктивного механизма теплообмена на конвективный, требуется некоторое время. Поэтому, чем мощнее источник нагрева подложки, тем быстрее развиваются конвективные течения. При низкой интенсивности излучения термокапиллярный вихрь, движущая сила которого локализована на поверхности слоя, уже практически не проникает в придонный слой и эффективность съема тепла с подложки заметно снижается.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Из Рис.3.9 можно судить, как на эволюцию отклика и углубления влияет толщина жидкого слоя. Из-за сильной зависимости отклика от h0 при той интенсивности индуцирующего пучка, при которой в более толстых слоях отклик только становился доступным для измерений, в тонком слое отклик уже был близок к максимально измеримому размеру. В то же время, благодаря низкой интенсивности пучка, которой соответствуют зависимости, Рис.3.9 влияние на конвективный процесс способа ввода энергии в систему «слой/подложка» становится особенно заметным. Если для поглощающей жидкости с увеличением толщины слоя наблюдается равномерное снижение скорости роста и стационарного размера отклика, то в случае прозрачной жидкости утолщение слоя приводит к резкому падению чувствительности отклика к h0.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Анализ процессов развития и релаксации ТК углубления

На Рис.3.10-3.12 показаны схемы эволюции ТК углубления, которые обобщают данные Рис.3.3-3.9.

Схемы построены по следующим правилам. На горизонтальной шкале отложено расстояние от оси пучка в миллиметрах. Вертикальный ряд чисел в левой части схемы - это время в секундах. Верхняя половина схемы соответствует процессу развития углубления с момента включения пучка до стационарной стадии конвекции, нижняя - напротив, релаксации углубления. Положение крестика показывает радиус линии перегиба, а угол наклона стрелки, выходящей из данного крестика, равен увеличенному в сто раз максимальному уклону Метод его расчета по расходимости пучка отклика с учетом собственной расходимости пучка приведен в Приложении 5. поверхности ТК прогиба. Чем выше значение варьируемого параметра, тем крупнее крестики. Увеличение размера стрелок соответствует изменениям параметра, способствующим развитию ТК деформации. Например, чем выше интенсивность индуцирующего пучка, тем крупнее крестики и стрелки, при увеличении же толщины слоя крестики увеличиваются, а стрелки, напротив, уменьшаются.

Заметим, что временная сетка едина для левой и правой частей отдельно взятой схемы, но отлична для разных схем. Кроме того, она не регулярна. Так как скорость изменения параметров углубления сильно меняется на разных этапах эволюционного процесса, то соблюдение временного масштаба привело бы к сильной диспропорции схемы.

Схема на Рис.3.10 относится к системе «прозрачный слой / температуропро-водная подложка». Ее левая половина иллюстрирует влияние на эволюцию ТК углубления толщины слоя, правая - интенсивности индуцирующего пучка. Дополнительно приводятся данные о параметрах стационарного углубления в случае поглощающего излучения слоя на стеклянной подложке, дающие представление о том, как на углублении отражается способ ввода в систему энергии излучения. То, что при прочих равных условиях, область толщин жидкого слоя, в которой наблюдается выраженная ТК деформация свободной поверхности, смещается в слои, в несколько раз более тонкие, чем в случае поглощающей жидкости, говорит о резком снижении эффективности процесса преобразования энергии пучка в механическую энергию конвективного вихря. Действительно, подложка с высокой теплопроводностью, как радиатор, рассеивает значительную мощность и порождает размытый, низкоградиентный тепловой источник. Учитывая, что при движении теплового фронта от подложки к свободной поверхности температурный градиент снижается пропорционально примерно квадрату пройденного расстояния, становится ясно, почему диапазон толщины слоя, в котором наблюдается ТК деформация, смещается в тонкие слои.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Отсюда вытекает объяснение аномально низкой чувствительности ТК углубления к толщине слоя в системе «прозрачный слой /теплопроводная подложка». В тонком слое возможности для перераспределения течений ТК вихря жестко ограничены, и параметры ТК вихря и углубления диктуются тепловым полем на поверхности слое, которое наводится Т-полем подложки и мало зависит от небольших (10 мкм) изменений толщины слоя.

О доминирующей роли теплового поля подложки свидетельствует и правая половина схемы, Рис.3.10. Рост интенсивности индуцирующего пучка приводит к тому, что радиус линии перегиба углубления значительно превосходит радиуса пучка. Аналогичный эффект наблюдается также для прозрачного слоя на эбонитовой подложке (левая половина Рис.3.11). Впрочем, в этой системе, из-за низкой теплопроводности эбонита, эффект выражен гораздо слабее.

Заметим, что увеличение радиального размера углубления с ростом Iw лишь отчасти связано с размытием теплового поля, т.е. с процессом, неблагоприятным с точки зрения КПД преобразования световой энергии пучка в механическую энергию ТК вихря. Одновременное увеличение ri и уклона поверхности ТК прогиба, т.е. общее увеличение его размера, свидетельствует об интенсификации конвекции. Расширение углубления связанное с повышением Iw происходит даже в случае поглощающей жидкости (например, см. правую половину Рис.3.11), когда механизм размытия температурного поля в подложке и при распространении тепла в слое практически исключен.

Схемы Рис.3.11, 3.12 позволяют проследить эволюцию ТК углубления в системах, отличающихся лишь способом ввода энергии излучения. Рис.3.11 отражает изменения в эволюционном процессе, связанные с интенсивностью индуцирующего пучка, Рис.3.12 - с толщиной жидкого слоя.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Из этих схем следует, что для прозрачной жидкости (в сравнении с окрашенной) независимо от интенсивности пучка и толщины слоя, радиус линии перегиба ТК углубления всегда больше, а уклон стенок лишь незначительно меньше. По совокупности этих параметров углубления напрашивается несколько неожиданный вывод о том, что КПД процесса преобразования энергии излучения в механическую энергию конвективного вихря для прозрачного слоя выше, чем для поглощающего. Скорее всего, в рассмотренных системах ТК течения энергетически действительно близки и отличаются в основном распределением.

Сравнив параметры углублений, индуцируемых в слоях Раствора №2 одинаковой толщины, но на разных подложках Параметры стационарного ТК углубления в случае высокотеплопроводной стеклянной подложки отражены крестиком и стрелкой обведенными пунктирной линией. , Рис.3.11, можно заключить, что влияние на ТК углубление теплового поля в подложке прослеживается и тогда, когда практически вся энергия пучка изначально поглощается жидким слоем. Даже тогда теплопроводная подложка провоцирует размытие теплового поля (что проявляется в увеличении радиуса линии перегиба) и, рассеивая тепло, уменьшает КПД пучка (при более высокой интенсивности пучка уклон стенок углубления заметно ниже).

Влияние способа ввода в систему энергии излучения особенно хорошо прослеживается на Рис.3.12. В случае поглощающей жидкости (правая половина схемы) с увеличением h0 радиус линии перегиба ТК зеркала возрастает, а уклон стенок уменьшается. Такое поведение углубления легко объяснимо. С одной стороны, энергия, вводимая в систему, а значит и кинетическая энергия конвективного вихря, практически не зависит от толщины слоя. С другой стороны, с увеличением h0, возвратные течения вихря смещаются в слои более удаленные от подложки, где испытываемое ими вязкое трение снижается. А значит, баланс потоков наступает при меньшем подсасывающем лапласовом давлении, что и выражается в уменьшении кривизны ТК прогиба.

Когда жидкость прозрачна (Рис. 3.12, левая половина схемы) утолщение слоя приводит к тому, что: (а) развитие углубления, начинается с некоторой задержкой, (б) радиус линии перегиба ТК углубления увеличивается, а уклон поверхности снижается. Причины задержки обсуждались ранее, стр. 79. Что касается расширения углубления, то в случае прозрачного слоя, механизм, описанный в предыдущем абзаце, усиливается за счет размытия Т-поля при распространения теплового фронта от подложки к свободной поверхности слоя.

Рассмотрим процесс релаксации ТК прогиба. Если сравнить поведение углубления при высоко- (Рис.3.10) и низкотепплопроводной подложке (Рис.3.11-3.12), легко заметить, что в первом случае релаксируя углубление сжимается в диаметре почти в десять раз; во втором - радиус линии перегиба уменьшается, не более чем на 20 %. Другое различие заключается в скорости релаксации углубления, которая примерно в два раза выше при высокотеплопроводной подложки.

Объяснить эти различия в поведении углубления, можно с учетом того, что радиальный размер ТК прогиба определяется температурным полем. Поэтому наиболее быстро конвекция затухает в слоях на высокотеплопроводной стеклянной подложке, а медленней всего - в прозрачном жидком слое на аккумулирующей тепло эбонитовой подложке. Относительно быстрая релаксация отклика для поглощающего слоя свидетельствует о том, что в этом случае конвективные течения запирают поток тепла в подложку и тепловой источник сосредоточен, главным образом, в жидкости.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Эффект сжатия радиуса окружности углубления при его релаксации можно объяснить действием центростремительных придонных течений, благодаря которым в случае высокотеплопроводной подложки наведенный тепловой источник быстро остывает на периферии, и сжимаясь, Рис.3.13а, заставляет сжиматься углубление. При низкотеплопроводной подложке, когда источник локализован в облучаемой области, распределение температур, спадая по амплитуде, в радиальном направлении изменяется незначительно, Рис.3.13б.

Краткие выводы по третей главе

Внесены усовершенствования в методику регистрации ТК отклика:

Видеозапись динамики роста и релаксации отклика и компьютерная обработка экспериментальных данных;

Одновременная запись откликов в двух разноудаленных от жидкого слоя сечениях пучка, позволяющая определять расходимость пучка отклик, которая, в отличии от диаметра отклика, не зависит от местоположения экрана;

Для считывания отклика применен пробный лазерный пучок.

Впервые получены экспериментальные зависимости, описывающие процессы развития и релаксации ТК отклика и на их основе построены эволюционные зависимости радиуса окружности перегиба и максимального уклона поверхности ТК углубления. Изучено влияние на эволюцию отклика и углубления интенсивности индуцирующего пучка, толщины слоя, показателя поглощения жидкости и теплопроводности подложки.

Обнаружен эффект повышения радиального размера и задержки начала развития ТК углубления в случае прозрачной жидкости, по сравнению с поглощающей излучение (окрашенной) жидкостью при прочих равных условиях.

Размещено на Allbest.ru