Термокапиллярная конвекция, индуцированная пучком лазера в тонком слое жидкости

Основные механизмы искажения свободной поверхности жидкого образца, облучаемого лазерным пучком. Решение нестационарной тепловой задачи, учитывающей деформацию свободной поверхности. Существенная характеристика термокапиллярного углубления и отклика.

Рубрика Физика и энергетика
Вид лекция
Язык русский
Дата добавления 17.06.2018
Размер файла 1,5 M

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

1

Размещено на http://www.allbest.ru/

Термокапиллярная конвекция, индуцированная пучком лазера в тонком слое жидкости (обзор литературы)

1. Механизмы деформации свободной поверхности жидкого образца, облучаемого лазерным пучком

Основа данного исследования: эмпирический факт образования на свободной поверхности тонкого слоя малолетучей, химически устойчивой органической жидкости, не содержащей тензоактивных примесей, локального прогиба глубиной от нескольких до десятков мкм, возникающего при облучении слоя падающим со стороны свободной поверхности под углом близким к нормальному, поглощаемым жидкостью или подложкой, лазерным пучком с эффективной интенсивностью порядка нескольких мВт / мм2.

Известен ряд эффектов взаимодействия оптического излучения с жидким слоем, которые могут приводить к деформации его свободной поверхности. Подавляющее большинство из них, за исключением светового давления [73-76] и концентрационнокапилярного эффекта, связанного с фотохимическими [77] реакциями, продуктами которых являются тензоактивные вещества, имеют тепловую природу. К тепловым относятся следующие эффекты: концентрационнокапиллярный, вызываемый местным нагревом и испарением [17,78,79], отдачи пара [13-80], термоуширительный [17,20,82] (локальное вспучивание слоя за счет теплового расширения), термогравитационная [83-84] и термокапиллярная конвекция [17,32,88]. Проанализируем их вклад в процесс деформации свободной поверхности слоя в условиях данного исследования, Табл. 1.1.

Таблица. 1.1. Механизмы деформации свободной поверхности жидкого слоя под действием светового пучка.

Эффект. Знак деформации свободной поверхности

Сопоставление с условиями исследования.

Световое давление. Знак деформации зависит от направления падения пучка.

Учитывая низкий низкую интенсивность используемых лазерных пучков вклад светового давления пренебрежимо мал.

Концентрационнокапиллярные эффекты. В зависимости от тензоактивной компоненты могут давать как вогнутый, так и выпуклый рельеф [17,79].

Практически исключен, так как используемые жидкости, не содержащие тензоактивных компонентов.

Отдача пара. Деформация отрицательного знака.

Возможный вклад незначителен по причине низкой: интенсивности пучка, температуры (далекой от температуры кипения) и малой летучести жидкостей.

Термокапиллярная конвекция. Вогнутый рельеф.

Доминирующий механизм деформации свободной поверхности неоднородно нагретого тонкого (капиллярной толщины) жидкого слоя [81]. Исследуемые слои ( 1мм) полностью удовлетворяют критерию капиллярности.

Термогравитационная конвекция. Деформация положительного знака.

Доминирует в относительно толстых ( 1см) слоях [83]. В слоях толщиной порядка нескольких мм возможна конкуренция с термокапиллярным эффектом [84].

Термоуширительный эффект. Выпуклый рельеф.

Неизбежно присутствует. В случае высоковязких неньютоновских жидкостей, приводит к выраженному, сохраняющемуся во время облучения рельефу [20,21]. В маловязких жидкостях рельеф этой природы не успевая достичь заметной величины релаксирует под действием лапласова давления и термокапиллярного растекания.

Если в области облучения локальная толщина слоя увеличивается, т.е. образуется выпуклый рельеф, будем считать такую деформацию положительной, и, наоборот, в случае вогнутого рельефа - отрицательной.

Из таблицы видно, что в условиях исследования свой вклад в деформацию свободной поверхности вносят несколько физических эффектов. Однако, есть все основания считать термокапиллярный механизм образования прогиба доминирующим. Об этом свидетельствуют следующее:

Прогиб эффективно индуцируется в абсолютно нелетучих жидкостях, например, в силиконовом масле, когда исключен эффект отдачи пара.

При введении в жидкость даже ничтожного количества ПАВ, рельеф разглаживается и свободная поверхность слоя становится плоской.

Совокупность свойств описанного эффекта деформации свободной поверхности слоя позволяет определить его как термокапиллярный эффект, индуцированный тепловым действием лазерного пучка.

2. Уточнение терминологии

В литературных источниках встречается несколько близких по смыслу названий исследуемого типа термокапиллярной конвекции: светоиндуци-рованная [90], фотоиндуцированная [16,32] и лазерноиндуцированная [18,88]. Проанализируем эти названия, чтобы выбрать из них термин, наиболее полно отражающий суть явления и учитывающий его практически важные стороны.

Определяющую роль с позиций практической значимости эффекта играет бесконтактный радиационный механизмы воздействия на жидкий образец и считывания его реакции. Действительно, все три названия указывают на то, что конвекция вызывается электромагнитным излучением оптического диапазона, а два из них так же конкретизируют некоторые свойства этого излучения.

За рамками названия «светоиндуцированная», неоправданно оказываются работы, в которых ТК конвекция индуцируется невидимыми УФ или ИК источниками оптического диапазона.

Что касается термина «лазерноиндуцированная…», то действительно, во всех работах конвекцию вызывали именно лазерным пучком. Однако, в силу тепловой природы конвекции для ее возникновения не принципиальны уникальные свойства лазерного излучения, и эффект можно индуцировать любым, достаточно мощным световым пучком.

Термин «фотоиндуцированная термокапиллярная конвекция» наиболее объективно отражает суть эффекта, и будет использоваться в дальнейшем.

3. Физические и геометрические параметры системы ПСП

Существуют несколько названии деформации свободной поверхности слоя, о которой пишут как о прогибе [33], линзе [29] или углублении [17,32]. Предпочтение отдадим наиболее распространенному термину «углубление», который хорошо передает локальный характер деформации. При необходимости также будем использовать термин ТК прогиб.

Известно [16,17,27], что размер, форма и распределение интенсивности ТК отклика определяются профилем углубления, который в свою очередь зависит от ряда физических и геометрических параметров системы ПСП:

(а) Пучка, индуцирующего углубление (мощности Р, распределения интенсивности I (r), радиуса на слое w, длительности импульса ).

(б) Слоя жидкости (вязкости , температурного коэф. вязкости Т, поверхностного натяжения , температурного коэф. поверхностного натяжения Т, плотности l, температурного коэф. объемного расширения , коэф. поглощения l и отражения Rl излучения, теплопроводности kl, теплоемкости cl жидкости; толщины h0 и неоднородности толщины hr слоя).

(с) Подложки (коэф. поглощения u и отражения Ru, теплопроводности ku, теплоемкости сu, продольных размеров и толщины).

Геометрические параметры системы ПСП показаны на Рис.1.1. Здесь: 1 лазерный пучок, индуцирующий в жидком слое 2 на твердой подложке 3 ТК углубление 4. Лучи 5, отраженные поверхностью слоя, образуют пучок, в поперечном сечении которого наблюдается ТК отклик.

Протяженность слоя, ограниченного размером кюветы, обозначим L, а его толщину h0, S расстояние от слоя до экрана; w радиус в плоскости слоя по уровню I0/e, индуцирующего углубление пучка, а - его расходимость; расходимость пучка отклика; глубина ТК зеркала, riрасстояние от оси углубления до точек его поверхности, в которых изменяется знак локальной кривизны зеркала. Множество этих точек образует линию перегиба на которой уклон поверхности ТК зеркала максимален и определяет расходимость отраженного пучка и диаметр ТК отклика [16,17].

Уже из списка параметров системы ПСП следует, что ФТК конвекция - это сложное, многомерное явление, а его изучение требует привлечения экспериментальных методик и математического аппарата из таких областей, как теплофизика, механика жидкости, оптика и электроника. Исчерпывающее описание эффекта предполагает решение для системы со свободной границей нестационарной задачи нахождения: температурного поля в жидком слое и подложке; распределения скоростей; профиля термокапиллярного углубления, а также расшифровки связи параметров ТК отклика и углубления.

Первые три задачи настолько переплетены, что при математическом моделировании эффекта ни одна из них не может рассматриваться отдельно [29-31]. В эксперименте, напротив, круг измеряемых параметров ограничен и, поэтому, некоторые процессы неизбежно остаются за рамками исследования. Эту проблему частично снимает детальное описание условий опытов, позволяющее в дальнейшем восстановить недостающие фрагменты явления.

Заметим, что, если рассматривать ФТК конвекцию лишь с позиций теплофизики и механики жидкости, то пучок ТК отклика становится не более чем источником потерь излучения. В работах [29-31], близких к теме этого исследования, ТК отклик даже не упоминается, но, тем не менее, содержатся данные о ТК углублении, которые здесь будут анализироваться.

Для придания работе целостности, все цитируемые материалы излагаются с использованием введенных здесь обозначений. Неизбежные расхождения с оригиналами оговариваются лишь по мере необходимости.

4. Поле температур

Как уже говорилось во Введении, задача измерения поля температур (Т-поля) в слое с ТК вихрем является технически очень сложной, и нам неизвестны работы, где она была бы решена. Тем не менее, в ряде публикаций [18,29-31,88] приведены выражения, позволяющие, зная теплофизические свойства жидкости, подложки, а также мощность и распределение интенсивности лазерного пучка, рассчитать Т-поле. Общим во всех анализируемых работах является то, что конвекция индуцируется гауссовым лазерным пучком (т.е , где w радиус пучка по уровню интенсивности I0/e) в изотермичном горизонтальном слое жидкости со свободной поверхностью.

Близкий подход к проблеме определения Т-поля, при котором связь мощности пучка с индуцируемым им нагревом выражают, используя характеристическую температуру ТС = Р/4kh0, наблюдается в цикле статей с участием Да Косты [16,18 и др.] и в [31]. В [18] конвекцию вызывали пучком He-Ne лазера мощностью порядка нескольких мВт в слое сильно поглощающей, высоковязкой органической жидкости (тяжелая нефть, =1Пас). Распределение температуры и изменение его во времени с момента начала облучения находили из выражения:

(1.1), где, Т0 температура жидкости вне облучаемой области, r=r/w расстояние от оси пучка, нормированное на его радиус, t=t/t0, t0=w2/4kl термическая временная константа, h0 толщина слоя, kl теплопроводность жидкости.

В [31] рассматривается стационарная стадия конвекции в условиях, подобных описанным выше, но для маловязкой (этиловый спирт, = 1.210-3 Пас [89]) органической жидкости. Здесь для простоты предполагается, что поле температур, как и пучок, имеет гауссово распределение:

Хотя в [88] отмечено, что использование характеристической температуры, учитывающей лишь кондуктивный механизм теплопереноса в случае развитых конвективных течений не совсем корректно, в работах [18,31] говорится о хорошем соответствии теоретических и экспериментальных профилей.

В [88] встречается выражение аналогичное (1.2), с той лишь разницей, что вместо характеристической температуры и радиуса пучка, в него подставляются константы, при которых расчетный профиль углубления наиболее близок к профилю, определенному интерферометрическим методом. Исследуется система: слой окрашенной чернилами воды с h0=10 мм, облучаемый непрерывным пучком аргонового лазера мощностью 0.8…4 Вт.

Стационарная тепловая задача для случая wh0 решена в [29]. Приводится оценка, согласно которой при типичных значениях параметров жидкости kl0.5Вт/мК, cl103 Дж/кгК, l103 кгм3; слоя h010-4 м; радиусе пучка w103 и характерной скорости конвективных течений 10-3 м/с, отношение конвективного теплопереноса к потоку тепла в подложку можно оценить как10-2. Отсюда делается вывод, что при решении тепловой задачи, конвективной теплопроводностью и деформацией свободной поверхности слоя можно пренебречь. Найдено следующее соотношение в виде разложения в ряд по функциям Бесселя:

Здесь L радиус окружности относительно центра лазерного пучка, которая ограничивает задачу в плоскости подложки, коэффициент теплообмена, z осевая координата, d толщина подложки.

В [30] приводится решение нестационарной тепловой задачи, учитывающее ТК деформацию свободной поверхности. Развитие Т-поля рассматривается на двух стадиях. На ранней стадии вводится характерное время нестационарного процесса движения жидкости 1=h02/, на более поздней - время изменения толщины слоя 2=L/, где L радиус области, в которой локализовано движение жидкости, а характерная скорость радиальных течений. В расчетах полагалось, что числа Bd, Pr и Re порядка 1.

Для случая =1, когда деформацией поверхности можно пренебречь, найдено соотношение:

где: , а и температура не- и максимально прогретой жидкости, соответственно.

В случае больших времен, =2, с учетом деформации свободной поверхности, получено выражение:

В рассмотренных в параграфе работах фигурируют следующие значения: : 5 [18], 0.4 [31] и 0.35 [88] К. Это либо расчетные данные, либо значения, определяемые из условия наилучшего соответствия теории и эксперимента. Отсюда следует практически важный вывод: ФТК эффект можно индуцировать даже маломощным недорогим источником типа лазерного диода, оказывая на исследуемый жидкий слой минимальное воздействие, результат которого исчезает по окончанию облучения.

5. Поле скоростей. Размеры ТК вихря

Известно несколько экспериментальных [17,23,55-57] и расчетных [23,30] методик, позволяющих определять параметры ТК вихря.

В [17] для измерения радиального размера вихря применялась следующая методика: на подготовительном этапе в рабочую кювету заливали тонкий слой (0.2-0.5) % раствора антрахинонового яркосинего в бензоле. После испарения бензола на дне кюветы оставался слой высохшего красителя. При включении лазерного пучка (He-Ne, =0.63мкм, Р=8мВт) в кювету аккуратно, но быстро вливали растворитель. Картина ТК течений наблюдалась в течении 3…4 с, пока не происходило окрашивание слоя. Оказалось, что в слоях легколетучих растворителей (бензол, циклогексан, CCl4) толщиной 100…600 мкм диаметр вихря составлял примерно 8…10 мм, что значительно превышало диаметр индуцирующего пучка (2w=2.4…3 мм).

Оригинальная методика фотохромной визуализации ТК вихря встречается в цикле статей [56,57]. Исследовались слои (h0=0.5…5 мм) раствора индолинового спиропирана в этиловом спирте с концентрацией 0.2 г/л, облучаемые одиночными УФ лазерными импульсами длительностью 50…100 нс и энергией 0.025…0.08 Дж. Первоначально бесцветный раствор под действием УФ излучения окрашивался, и за время 10-7…10-9 с в слое формировалась окрашенная трасса, простирающаяся от поверхности в объем жидкости, Рис.1.2. Изменение размеров и перемещение внешней границы окрашенного пятна, связанное с индуцируемым импульсом ТК течениями, фиксировали кинокамерой. Оказалось, что, как предельный радиус, так и скорость роста пятна, уменьшались по мере утончения слоя и увеличивались с повышением концентрации фотохромного вещества и/или энергии импульса. При радиусе индуцирующего пучка 1.11.2 мм, радиус пятна достигал примерно 7 мм, а максимальная на начальном этапе скорость роста - 60 мм/с.

К сожалению, применение красящих веществ проблематично при изучении стационарной стадии конвекции. Со временем краситель распределяется по всему объему жидкости и картина течений теряется. Этого недостатка лишен метод трассирующих частиц, описанный в работах [22,23,55].

В [23] конвекцию вызывали гауссовым лазерным пучком (He-Ne, =0.63мкм, Р=1мВт, w=0.8…2.4 мм) в растворах кристаллического фиолетового с концентрацией около 10 г / л в полярных органических растворителях с оптической плотностью, равной 1 в слое толщиной не более 0.1 мм. Применялись подложки из полиметилметакрилата, силикатного стекла и латуни. Для визуализации поверхностных течений, определения их скорости и размера конвективного вихря, использовались частицы ликоподия, Рис.1.3.

Отметим, что: а) помимо индуцируемого пучком конвективного вихря в слое развивалась естественная конвекция; б) краситель являлся положительно тензоактивным компонентом раствора. Поэтому имевшее место активное испарение слоя также должно было включать концентрационнокапиллярный конвективный механизм.

Автор делает вывод, что радиус вихря rt определяется главным образом радиусом пучка и толщиной слоя, и слабо (в пределах 20 % погрешности эксперимента) зависит от вязкости жидкости, мощности пучка и тепловых свойств подложки. Для слоев в диапазоне 0.1…0.5 мм предлагается выражение:

В этой же работе приводятся значения радиальной скорости u течений на поверхности жидкости. Для слоя толщиной 0.35 мм на стеклянной подложке в ряду этанол ( = 1.08 10-3 Пас при 25 С), бутанол (2.95, 20), октанол (7.6, 25) и циклогексанол (68, 20) u имела значения 4.8 1.6, 2.0 0.5, 0.5 0.2, 0.25 0.05 мм/с. Пятикратное уменьшение мощности пучка приводило примерно к такому же снижению скорости. Для u получено следующее соотношение:

где r гадиус конвективного вихря, R1 и R2 средние радиусы кривизны центральной вогнутой области углубления и внешнего тороидального валика. В опытах их измеряли фотоабсорбционным методом (подробнее остановимся на нем в следующем параграфе), что позволило сравнить экспериментальные и расчетные значения u. Например, для слоев бутанола толщиной 0.25 и 0.35 мм u расчетн.=0.25 и 0.5 мм/с, а u эксп. = 0.3 0.1 и 2.0 0.5 мм / с.

Что касается вертикальной составляющей скорости, отмечено, что приток жидкости со дна к поверхности идет по осевому цилиндрическому каналу диаметром всего 0.2 мм, скорость течения в котором достигает 60 мм / с.

В работе [55] размер вихря и скорость конвективных течений, индуцированных 5.5 милливатным пучком с w0.75 мм в слое октана толщиной 400 мкм, оценена по трекам частиц алюминиевой пудры. Помимо плоского неограниченного слоя, в котором наблюдался тороидальный вихрь диаметром 9.30.6 мм со скоростью поверхностных течений 4.00.2 мм / с, рассмотрен случай слоя, между двумя параллельными вертикальными границами с расстоянием между ними в 11 мм. Оказалось, что в таком канале конвективный вихрь существенно видоизменялся: скорость потоков в поперечном границам направлении снижалась до 0.90.2 мм / с, в направлении же вдоль границ, напротив, возрастала до 8.20.4 мм / с.

Пример использования для оценки скорости течений непроизвольно появляющихся объектов в виде газовых микропузырьков встречается в [21], Рис.1.4. Плавающий пузырек создает микродеформацию свободной поверхности, которая дает характерный образ на фоне ТК отклика. Приводится зависимость скорости пузырька от расстояния от центра индуцирующего пучка. В условиях эксперимента (аргоновый лазер =0.488мкм, Р=35мВт, w=1 мм, сильно поглощающая излучение тяжелая нефть, 1 Пас, при 25 С) скорость пузырьков нелинейно возрастала по мере их движения от оси пучка и на расстоянии wдостигала 0.5 мм / с.

В рассмотренной ранее, см. П. 1.4, статье [30] также получены соотношения, описывающие распределения радиальной u и вертикальной компонент скорости течения на свободной поверхности слоя.

Случай малых времен, =1:

где: ,

,

,

прочие обозначения поясняются в П. 1.4, см. (1.4).

В случае больших времен, =2:

(1.10);

+

+

напомним, что здесь распределение безразмерной температуры (1.4), коэффициент температурного расширения жидкости, .

Обобщая сказанное о ТК вихре, отметим, что, за исключением [23], данные работ свидетельствуют о том, что диаметр вихря в 2…3 раза превышает диаметр индуцирующего пучка, а типичная скорость конвективных течений на свободной поверхности порядка нескольких мм / с.

Относительно малый диаметр вихря в [23], возможно, связан с условиями описанного там эксперимента, а именно, с конкуренцией фотоиндуцированных течений с капиллярными течениями испарительной природы. деформация лазерный тепловой термокапиллярный

6. Термокапиллярное углубление

Изучению профиля ТК углубления уделялось внимание практически во всех работах по ФТК эффекту. Во-первых, экспериментально получить профиль углубления гораздо проще, чем найти Т-поле или распределение скоростей течений. Во-вторых, поля температуры, скоростей и ТК деформация свободной поверхности настолько взаимосвязаны, что любая адекватная модель процессов тепло- массопереноса при ФТК эффекте должна описывать и профиль ТК углубления. Так же отметим, что такое практически важное проявление эффекта как ТК отклик по сути - интерферометрический образ углубления.

Два метода определения профиля ТК углубления предложены в [17]. Первый из них применим для полупрозрачных слоев на зеркальной подложке. Суть его состоит в том, что пучки, отраженные от подложки и от деформированной поверхности слоя, дают интерференционную картину в виде колец Ньютона, Рис.1.5а, по которой и восстанавливается профиль. Контраст картины зависит от соотношения яркостей интерферирующих пучков. Кольца могут заполнять все световое поле, сгущаясь к краю из-за роста крутизны профиля и ослабевая из-за увеличения поглощения отраженного от подложки пучка. Кроме того, на периферийные кольца Ньютона накладывается интерференционная структура ТК отклика. Поэтому, фактически, этим методом удается получить профиль лишь центральной части углубления.

Второй метод относится к фотоабсорбционным. Профиль восстанавливается по плотности почернения фотонегатива. Чтобы соотнести плотность почернения и толщину слоя, применяется оптический клин, образованный жидкостью, в которой индуцируется углубление. Клин помещается вблизи углубления и фотографируется с ним на один кадр. На Рис.1.5б показан профиль ТК углубления, вызываемого 8-и милливатным пучком He-Ne лазера w=1.21.5 мм в слое, h01.35 мм, 3 %-го раствора кристаллического фиолетового в 96 %-м этаноле. Радиус углубления (4 мм) в несколько раз превышает радиус пучка, что согласуется с данными по ТК вихрю.

В [31] профиль ТК углубления из [17] сравнивается, Рис.1.5б, с результатом численного решения следующего уравнения:

где , а температурный градиент оценивается из выражения (1.2).

Уравнение (1.12) получено путем преобразования уравнений Навье-Стокса в цилиндрической системе координат:

Остановимся на сделанных в работе упрощающих предположениях. Во-первых, из экспериментальных данных [17] делается вывод, что, так как средний уклон свободной поверхности приблизительно равен 0.6, т.е. , а значит уравнение (1.13б) можно исключить из анализа. Во-вторых, поскольку , а , радиальная компонента скорости изменяется быстрее вдоль оси z, чем вдоль r, то . Отсюда уравнение (1.13а) сводится к уравнению:

В-третьих, учитывая, что капиллярная постоянная () сравнима с размерами лазерного пучка, пренебрегается гидростатическим давлением. Несмотря на серьезные упрощения в [31] отмечается, что расчетный профиль хорошо согласуется с экспериментальным, Рис.1.5.

Аналогичная [17] фотоабсорбционная методика получения профиля ТК углубления встречается в уже цитировавшейся в П. 1.5 работе [23]. Заметим, что приведенный в [23] профиль углубления (получен для слоя, h0 = 0.3 мм, раствора кристаллического фиолетового в бутаноле) имеет нигде больше не встречающуюся особенность, а именно, на дне углубления, в наиболее горячей, центральной области, наблюдается небольшой холмик. Автор объясняет наличие холмика «гидродинамическим давлением остановленной струи» (под струей подразумевается возвратные течения конвективного вихря). Учитывая, что «мотор» капиллярных течений находится на свободной поверхности слоя и потоки в объеме слоя порождаются действием диссипативных сил вязкого трения, такое объяснение выглядит неубедительно. Более вероятно, что холмик: а) является артефактом, связанным с высокой экспериментальной погрешностью, б) это проявление возможных в условиях данного эксперимента течений концентрационнокапиллярной природы, которые действительно должны были быть направлены в наиболее нагретую область, где скорость испарения растворителя максимальна [17].

В статьях Германа Да Косты [20,21] предложены две интерференционные методики, позволяющие изучать процесс развития деформации локально нагреваемого жидкого слоя. На Рис.1.6 показаны примеры интерферограмм и восстановленных по ним профилей углублений, полученных для условий, описанных на стр. 24. Их особенность - высокая вязкость жидкости, благодаря которой термоуширительный механизм деформации слоя, практически не проявляющийся в маловязких жидкостях, становится настолько выраженным, что термин «углубление» не адекватно отражает характер возникающего рельефа свободной поверхности. С первых секунд облучения, из-за локального теплового расширения слоя появляется холмик, который со временем увеличивается в высоту и ширину. Лишь через 16 с вершина холмика, достигшего к этому времени высоты около 5 мкм, начинает уплощаться, и на ней развивается ямка ТК природы, глубина которой на 33-ей секунде достигает уровня h0.

Заметим, что статья [21], в которой Да Коста наиболее подробно описывает экспериментальные результаты и дает их теоретическое объяснение, называется: «Конкуренция между капиллярными и гравитационными силами в слое вязкой жидкости, нагреваемой гауссовым пучком лазера», т.е. из названия следует, что, по мнению автора, в процессе формирования деформации важную роль играет механизм термогравитационной конвекции. Однако, этому противоречит уже тот факт, что Да Коста индуцировал температурное поле в тонком горизонтальном слое сильнопоглощающей жидкости, облучая его верхнюю свободную поверхность. В этом случае, с ростом глубины температура в слое должна понижаться. Естественно, что слой с таким Т-полем устойчив к возникновению гравитационно-конвективных течений. Кроме того известно [4], что, рассматривая жидкий слой толщиной менее нескольких мм, гравитационной конвекцией можно пренебречь.

Для теоретического описания процесса развития деформации в [21] использовались выражение для Т-поля (1.1) и уравнение из [91]:

которое, заметим, получено решением одномерной стационарной задачи Навье-Стокса, в приближении, не учитывающем Лапласово давление и температурную зависимость вязкости жидкости.

Хотя правомерность применения выражений (1.1) и (1.15) вызывает сомнения [29], в [21] говорится о хорошем соответствии теории и эксперимента, правда, признается, что такие принципиальные для расчетов характеристики исследуемой жидкости, как температурные коэффициенты плотности и поверхностного натяжения, авторам не известны, не приводится и толщина жидкого слоя.

Методологически к [21] близка работа [88], в которой профиль деформации определяли также интерферометрическим методом, а математически описывали с применением (1.15). Разница состоит, во-первых, в свойствах исследуемой жидкости, во-вторых, в методике расчета Т-поля, см. стр.19.

На Рис.1.7. показан график зависимости глубины ТК прогиба от мощности P индуцирующего пучка [88]. Обращает на себя внимание то, что даже при мощности 4 Вт глубина прогиба равна 2.5 мкм, в то время как в [17] приводятся данные о том, что уже при P=8 мВт достигает1.25 мм. Чтобы понять причины столь большой разницы, сравним системы ПСП, с которыми проводились опыты в этих работах, Табл.1.2.

Таблица 1.2.

Параметр

[17]

[88]

Комментарии

Теплопроводность жидкости,

k, 10-3 Вт / (мК)

167

599

Чем выше теплопроводность, тем больше роль кондуктивного механизма рассеяния поглощенной энергии и ниже интенсивность конвекции.

Поверхностное натяжение,

, мН / м

22.8

72.75

Благодаря аномально высокому поверхностному натяжению воды, практически все органические примеси являются для нее ПАВами. Как известно ПАВы подавляют ТК течения.

Толщина слоя,

h0, мм

1.35

10

В тонких слоях вязкое трение о подложку, замедляет возвратный поток жидкости, тем самым способствуя увеличению глубины ТК прогиба.

Из таблицы непосредственно видны две причины, по которым в случае [88] ТК прогиб имеет столь малую глубину: высокая теплопроводность воды приводит к смещению баланса конвективного и кондуктивного потоков тепла в пользу последнего, а большая толщина жидкого слоя снижает влияние подложки, вязкое трение о которую стимулирует рост углубления. Кроме этого есть третья, неявно содержащаяся в таблице причина, которая, по-видимому, является основной. Речь идет о поверхностной активности чернил, которая должна подавлять течения капиллярной природы.

В работе Визнюка и Суходольского [29], помимо решения тепловой задачи, см. П. 1.4, стр. 19, также получено выражение для профиля стационарного ТК углубления:

где , а, и см. стр. 19.

В более поздней работе [27] этих же авторов приводятся экспериментально полученные профили ТК углубления индуцированного пучками аргонового и СО2 лазеров в слое машинного масла. Профили восстанавливались по отклонению сканирующего нитевидного луча He-Ne лазера диаметром не более 50 мкм. К сожалению, в статье не описан способ формирования такого луча, остаются вопросы и к условиям эксперимента. Так, например, о вязкости масла говорится лишь, что она лежит в интервале 50…500 мРас. В тексте статьи приводится мощность аргонового (1 Вт) и СО2 (3 Вт) лазеров, а в подписи к графику профиля углубления уже фигурируют 100 Вт лазерный пучок! Несколько странно и то, что приводимые в статье расчетные профили углубления не сопоставляются с экспериментом.

В этой же статье описаны интересные изменения профиля стационарного ТК углубления при увеличении толщины слоя. Так, при увеличении h0 с 1.1 до 1.225 мм обычный профиль углубления трансформируется в профиль с двумя линиями перегиба, а при h0 = 1.725 мм говорится уже о профиле с семью линиями перегиба. Другими словами, с ростом толщины слоя на стенках углубления образуются стационарные волны, природа которых авторами объясняется «…увеличением роли вертикальной конвекции По-видимому, имеется ввиду гравитационная конвекция. нагретой жидкости и ее взаимодействием с поверхностными силами». Учитывая, что этот эффект не встречается в других источниках, а экспериментальная методика, используемая для его обнаружения описана очень отрывочно, сложно судить о степени достоверности этих результатов.

В неоднократно упоминавшейся работе [30], см. П. 1.4, стр.18, П. 1.5, стр. 24, получено следующее выражение, описывающее эволюцию углубления:

Здесь, помимо ранее введенных обозначений, встречается .

7. Термокапиллярный отклик

Число публикаций в которых изучается ТК отклик невелико. По характеру решаемых задач их можно разделить на работы, в которых: а) ТК углубление рассматривается, как оптический элемент и объясняется интерференционная структура отклика; б) исследуется влияние различных свойств системы ПСП на параметры ТК отклика. К первому типу относятся статьи с участием Германа Да Косты [16,18-21,23-28], а также Визнюка и Суходольского [27], ко второму- работы Безуглого [17] и Низовцева [22,23].

Детальное исследование интерференционной структуры отклика и оптических свойств углубления, как асферического катоптрического элемента является нетривиальной оптической задачей и не входит в круг рассматриваемых в данной работе вопросов. Поэтому сосредоточимся на анализе данных о влияние на ТК отклик свойств системы ПСП.

По-видимому, первой широкодоступной публикацией, в которой приведены фотографии ТК откликов, является [16]. (Заметим, что во всех работах Да Косты по ФТК конвекции условия эксперимента очень близки. Они описаны в П.1.4). Изучается случай, когда область перефокусировки пучка отклика находится между слоем и экраном, и наблюдаемая картина соответствует интерференции в дальнем поле [73]. Структура отклика объясняется интерференцией лучей отраженных от внутренней вогнутой и внешней выпуклой областей поверхности ТК углубления. С учетом обозначенных в предыдущем абзаце приоритетов, интересны приведенные здесь зависимости угла расходимости пучка отклика от времени, при разной эффективной интенсивности Iw индуцирующего пучка, Рис.1.8.

В последующих работах [25,26] исследуется ранняя стадия развития отклика. Измерено время фокусировки пучка ТК отклика в плоскости экрана и скорость изменения диаметра отклика. При мощности индуцирующего пучка 350 мВт, фокусировка пучка на экране, расположенном в 40 см от слоя, происходила через 1 секунду с момента начала облучения, а диаметр отклика менялся со скоростью 3 мм / с.

В [24] описан эксперимент, в котором конвекцию индуцировали в натянутой на горизонтальную рамку тонкой жидкой мембране (из нефти месторождения Ориноко Белт), при этом ТК деформацию испытывали обе свободные поверхности мембраны и формировалась двояковогнутая ТК линза. Отклик наблюдался как в отраженном, так и в прошедшем через мембрану пучках, Рис.1.9. По мере развития ТК деформации, распределение отклика в отраженном пучке становится необычным - в центре возникает интерференционная структура, напоминающая кольца Ньютона. Это происходит из-за того, что в области ТК деформации мембрана утончается и интенсивность пучка, отраженного от ее внутренней поверхности, становится близкой к интенсивность пучка от внешней поверхности. Интерференция этих пучков и дает кольца Ньютона. Здесь прослеживается четкая аналогия с экспериментом Безуглого [17], см. стр. 27, Рис.1.5.

Кульминационной работой Да Косты, посвященной изучению ТК отклика, является [28], в которой отклик детально рассматривается с позиций геометрической оптики и теории каустик.

Обширное исследование влияния на ТК отклик параметров системы ПСП проведено Безуглым Б.А. [17]. Были изучены зависимости диаметра DS стационарного ТК отклика от свойств жидкости и геометрии ее слоя (, l, h0, hr), мощности индуцирующего лазерного пучка (P), а также от тепловых и оптических характеристик подложки (ku, u).

Так, на Рис.1.10 приведены зависимости вида DS (P) для различных систем ПСП. Рис.1.10а соответствует случаю теплопроводной металлической подложки, а Рис.1.10б и 1.10в - подложкам с низкой теплопроводностью (тефлоновая, карболитовая). Влияние на ТК отклик оптических свойств подложек с близкой теплопроводностью (карболит [92], тефлон [93] ku=0.23…0.26 и 0.12…0.25 Вт/мК, соответственно) показано на Рис.1.10б,в. Если в случае относительно слабопоглощающего слоя жидкости (h0 = 190 мкм, при толщине слоя с единичной оптической плотностью h1=2144 мкм) зависимость для черной карболитовой подложки проходит заметно выше, чем для матово белой тефлоновой подложки, то в случае оптически более плотного слоя (h0 = 190 мкм, h1 = 67 мкм) зависимости уже сливаются. Анализируя Рис.1.10 отметим, что в рассмотренном диапазоне мощности лазерного пучка, независимо от тепловых свойств подложки и толщины слоя зависимости DS (P) близки к линейным, а их наклон возрастает по мере утончения слоя.

Зависимости ТК отклика от толщины слоя сильнопоголощающей (h1=25 мкм) жидкости на теплопроводной зеркальной подложке (ртутное зеркало) приведены на Рис.1.11. При уменьшении толщины слоя, диаметр отклика сначала растет, достигая максимального размера, а затем наблюдается спад.

Такой ход зависимости автор объясняет влиянием подложки, которая, благодаря высокой теплопроводности, рассеивает поглощаемую жидкостью энергию пучка. Возможно, что спад также связан с потерями излучения на отражение, которые растут по мере утончения слоя.

Влияние на отклик теплопроводности подложки ku показано Рис.1.12. С увеличением ku, при прочих равных условиях отклик уменьшается, а куполообразный участок зависимости становится более выраженным. Слияние зависимостей с ростом толщины слоя свидетельствует о снижении влияния подложки на конвективный вихрь.

На Рис.1.13. приведена зависимость отклика от коэффициента поглощения жидкости l, который варьировали, изменяя концентрацию красителя. Из графика видно, что независимо от мощности пучка, снижение l приводит к последовательному уменьшению диаметра отклика.

Зависимость отклика от вязкости жидкости изучена в системах «поглощающая жидкость на ртутной подложке», Рис.1.14а и «прозрачная жидкость на поглощающей излучение карболитовой подложке», Рис.1.14б. В эксперименте использовали набор растворов разной концентрации диоктилфталата в о-ксилоле, при этом считалось, что с повышением концентрации диоктилфталата вязкость раствора возрастает, а прочие свойства практически не изменяются. Сложный ход зависимостей, Рис.1.14а, объясняется влиянием подложки. Например, кривые 1 и 1 имеют наклон, противоположный по отношению к остальным. Это связывается с тем, что в тонких слоях кондуктивный теплообмен через подложку повышается с ростом вязкости. Существенным отличием случая Рис.1.14б является то, что тепло в жидкий слой подводится не фотоабсорбцией в объеме жидкости, а кондукцией от нагреваемой излучением поверхности подложки. Чувствительность такой системы падает с ростом вязкости и с увеличением толщины слоя. Заметим, что на основе зависимости диаметра стационарного отклика от вязкости предложен бесконтактный метод измерения вязкости жидкости, который защищен двумя авторскими свидетельствами СССР [94,95].

В заключении обзора основных результатов [17] упомянем два эффекта, которые не имеют прямого отношения к экспериментам, представленным в диссертации, но используются в ряде практических приложений ФТК конвекции. Речь идет о деформации формы ТК отклика при индуцировании конвекции в слое со статически искривленной свободной поверхностью и усилении конвекции в испаряющемся слое. Первый эффект может применяться для контроля плоскостности свободной поверхности [36], а также в модифицированном методе измерения краевого угла смачивания [33,41], второй - для повышения чувствительности в термотензографии [96].

В работе Низовцева [23] приводится зависимости DS(h0) для жидкостей разной вязкости, Рис.1.15. Качественно они схожи с аналогичными зависимостями для разной мощности лазерного пучка, Рис.1.11. Однако, если понижение мощности пучка приводит к последовательному уменьшению DS, то во взаимном расположении зависимостей 2 и 3, Рис.1.15, наблюдается несоответствие физическим предпосылкам и данным [17], согласно которым повышение вязкости, как диссипативного фактора, должно отрицательно сказываться на интенсивности конвекции, а значит и на DS. Это несоответствие автор объясняет высоким поверхностным натяжением этиленгликоля.

В этой же работе получены, Рис.1.16, распределения интенсивности ТК отклика, в ходе его развития с момента начала облучения слоя. Всплеск интенсивности в первые моменты автор объясняет ростом коэф. отражения Rl жидкости, связанным с повышением коэф. поглощения al вследствие локального испарения растворителя и увеличения концентрации красителя на поверхности. Заметим, что локальное повышение концентрации не сказывается на оптической толщине слоя, и, следовательно, на коэф. пропускания Тl. Это значит, что одновременное повышение Rl и al противоречит балансному уравнению:

Хотя рост концентрации красителя может приводить к повышению коэф. преломления жидкости и, таким образом, к повышению Rl, в данном случае всплеск интенсивности связан с процессом фокусировки пучка отклика на ранней стадии развития углубления.

8. Области применения фототермических эффектов

На Рис.1.17 показана схема классификации фототермических эффектов. Фотоакустический эффект (ФА) первоначально был открыт в газах [109-111], где он наиболее ярко выражен. Область его применения в спектроскопии газов с появлением лазеров расширилась и на методы спектрального анализа жидкостей [85-87], в которых эффект проявляется значительно слабее.

В отличие от ФА, фототермолинзовый (ФТЛ) эффект [112] легче наблюдать в конденсированных средах. Спектроскопия жидких и твердых объектов является основной областью его применения [85,87].

Изменение объема жидкости из-за теплового расширения, или ФТС эффект [113], также находит широкое применение в спектроскопии [87]. В отличие от ФА и ФТЛ эффектов, в ряде случаев для наблюдения ФТС эффекта желательно, чтобы воздействие производилось через свободную поверхность жидкости. При локальном облучении это позволяет регистрировать даже небольшие, быстротечные искажения поверхности, вызываемые слабыми или короткими импульсами света. Последние 5-6 лет в этом направлении проводятся интенсивные исследования, стимулируемые развитием новой технологии лазерного текстурирования поверхности магнитных дисков [82].

Так сложилось, что жидкости чаше всего исследовались в замкнутых сосудах, исключающих проявлении капиллярных эффектов. По-видимому это основная причина, по которой фотоиндуцированный термокапиллярный (ФТК) эффект был открыт относительно поздно [15,16].

Уже в первых работах были найдены области применения этого эффекта: Да Костой для визуализации ИК излучения [16]; Безуглым в новом методе бессеребренной фотографии - термотензографии [17]. В этой работе также впервые было показано, что ТК отклик чувствителен более чем к десятку параметров системы ПСП и высказана идея об использовании свойств отклика для бесконтактных измерений. Позднее Безуглым были предложены методы измерения вязкости [98,99], а Да Костой - коэффициента преломления жидкости [28].

В данной диссертационной работе предложен ряд принципиально новых методов измерения характеристик жидких слоев [32-34,36-39,41,43] энергетических параметров лазерного пучка [37,42], а также способы изготовления оптических элементов [35] и очистки твердой поверхности от жидких загрязнений в виде капель или пленки смачивания [40]. Таким образом, определены новые области применения ФТК конвекции.

Размещено на Allbest.ru

...

Подобные документы

  • Тепловой и гидродинамический пограничные слои при свободной конвекции. Критерии подобия (Грасгофа, Рэлея и Архимеда) и визуализация свободноконвективного теплообмена. Свободная конвекция в ограниченном пространстве и в горизонтальных прослойках.

    презентация [366,8 K], добавлен 15.03.2014

  • Основное свойство жидкости: изменение формы под действием механического воздействия. Идеальные и реальные жидкости. Понятие ньютоновских жидкостей. Методика определения свойств жидкости. Образование свободной поверхности и поверхностное натяжение.

    лабораторная работа [860,4 K], добавлен 07.12.2010

  • Преобразование исходной системы уравнений к расчётной форме. Зависимость длины волны от скорости распространения. Механизмы возникновения волн на свободной поверхности жидкости. Зависимость между групповой скоростью волн и скоростью их распространения.

    курсовая работа [451,6 K], добавлен 23.01.2009

  • Конвекция как перенос энергии струями жидкости или газа, ее закономерности и значение. Сферы и направления практического применения данного явления, и основные факторы, влияющие на его интенсивность. Классификация, разновидности и механизмы конвекции.

    презентация [294,8 K], добавлен 14.04.2011

  • Конструкторский расчет вертикального подогревателя низкого давления с пучком U–образных латунных труб диаметром d=160,75 мм. Определение поверхности теплообмена и геометрических параметров пучка. Гидравлическое сопротивление внутритрубного тракта.

    контрольная работа [230,6 K], добавлен 18.08.2013

  • Определение коэффициента теплоотдачи при сложном теплообмене. Обмен теплотой поверхности твёрдого тела и текучей среды. Использование уравнения Ньютона–Рихмана при решении практических задач конвективного теплообмена. Стационарный тепловой режим.

    лабораторная работа [67,0 K], добавлен 29.04.2015

  • Управление лазерным пучком и контроль сигнала излучения с высокой скоростью с помощью электрооптической модуляции. Продольная и поперечная, амплитудная и фазовая электрооптическая модуляция. Виды и устройство электрооптических модуляторов Фабри-Перо.

    реферат [422,7 K], добавлен 28.06.2009

  • Эффективное излучение, радиационный и тепловой баланс земной поверхности. Закономерности распространения тепла вглубь почвы. Пожарная опасность леса. Расчет температуры поверхности различных фоновых образований на основе радиационного баланса Земли.

    дипломная работа [1,9 M], добавлен 01.03.2013

  • Механизм создания инверсных населенностей в трехуровневых схемах. Принцип работы лазера на рубине. Специфика работы твердотельного лазера в режиме модулированной добротности с пассивным затвором при использовании водяного охлаждения и свободной генерации.

    курсовая работа [495,1 K], добавлен 25.06.2011

  • Упрощение системы уравнений движения и сплошности двухмерного пограничного слоя. Система дифференциальных уравнений конвективного теплообмена двухмерного потока. Тепловой и гидродинамический пограничные слои при свободной конвекции у вертикальной стенки.

    презентация [339,9 K], добавлен 15.03.2014

  • Моделирование процессов конвективного теплообмена. "Вырождение" критериев подобия. Определение средней скорости жидкости в трубе. Теплоотдача при продольном обтекании горизонтальной поверхности. Изменение коэффициента теплоотдачи вдоль пластины.

    презентация [175,2 K], добавлен 18.10.2013

  • Теплоотдача при вынужденном движении теплоносителей; естественной конвекции, изменении агрегатного состояния вещества. Движение жидкости около горизонтальной и вертикальной поверхности. Значения коэффициента теплоотдачи для разных случаев теплообмена.

    презентация [1,3 M], добавлен 24.06.2014

  • Механизм создания инверсных населенностей в трехуровневых схемах. Принцип работы лазера на рубине. Лазер в режиме модулированной добротности. Расчет характеристик рубинового лазера, работающего в режиме модулированной добротности и свободной генерации.

    курсовая работа [945,6 K], добавлен 29.10.2010

  • Глобулярное состояние макромолекул. Рассмотрение структуры дисперсных сред (эмульсий и микроэмульсий) и поверхностной пленки, образованной низкомолекулярным адсорбентом. Способы расчета свободной энергии поверхности. Модель амфифильной макромолекулы.

    курсовая работа [2,7 M], добавлен 28.10.2012

  • Конвекция как вид теплообмена, при котором тепло переносится самими струями газа или жидкости. Ее объяснение законом Архимеда и явлением теплового расширения тел. Механизм, виды и основные особенности конвекции. Примеры конвекции в природе и технике.

    презентация [870,2 K], добавлен 01.11.2013

  • Характеристика нагревания лазерным излучением. Термические эффекты, сопровождающие лазерный нагрев. Диффузионно-химические явления и фотохимические методы. Основные предпосылки для построения квантовой теории фотоэффекта. Лазерное плавление поверхности.

    контрольная работа [2,6 M], добавлен 24.08.2015

  • Эксимерные молекулы и плазмо-химические реакции. Упрощенная модель кинетики образования XeCl молекулы. Механизмы возбуждения эксимерных лазеров элекронным пучком и разрядом. Общая характеристика систем предыонизации. Формирование качественного излучения.

    дипломная работа [2,6 M], добавлен 29.11.2014

  • Расчет площади живого сечения гидростенда. Определение объема канала и силы напора воды. Вычисление уклона свободной поверхности и гидравлического радиуса гидростенда. Определение коэффициента Шези для открытых потоков. Вывод по результатам вычислений.

    лабораторная работа [56,0 K], добавлен 23.03.2017

  • Конвективный теплообмен - распространение тепла в жидкости (газе) от поверхности твердого тела или к ней. Смысл закона Ньютона, дифференциального уравнения Фурье - Кирхгофа и критериального уравнения Навье – Стокса. Теплоотдача при конденсации паров.

    реферат [208,1 K], добавлен 15.10.2011

  • Поверхностные акустические волны - упругие волны, распространяющиеся вдоль свободной поверхности твёрдого тела или вдоль его границы с другими средами и затухающие при удалении от границ. Энергетические характеристики ПАВ, составление уравнения Ламе.

    курсовая работа [2,4 M], добавлен 17.01.2012

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.