Разработка устройств для исследования свойств жидкости в капиллярной гидродинамике тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

На ппавах рукописи

ии3456223

Кирколуп Евгений Романович

РАЗРАБОТКА УСТРОЙСТВ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ СВОЙСТВ ЖИДКОСТИ В КАПИЛЛЯРНОЙ ГИДРОДИНАМИКЕ

01.04.01 - приборы и методы экспериментальной физики

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

о 5

Барнаул - 2008

003456223

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Алтайский государственный университет» и в ГОУ ВПО «Алтайский государственный медицинский университет»

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор

Волков Валерий Иванович

Официальные оппоненты:

- доктор физико-математических наук, профессор Букатый Владимир Иванович

- кандидат технических наук, старший научный сотрудник Буфетов Николай Сергеевич

Ведущая организация: — ГОУ ВПО "Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова"

Защита состоится « 18 » декабря 2008 г. в 12 часов на заседании диссертационного совета Д 212.005.03 в Алтайском государственном университете по адресу: 656049, г. Барнаул, пр. Ленина, 61.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Алтайского государственного университета

Автореферат разослан « 17» ноября 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Рудср Д.Д.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы:

Исследование свойств и характеристик жидкостей, таких как поверхностное натяжение, вязкость, процесс растекания жидкости по твердой подложке, требуются во многих отраслях промышленности: в нефтедобывающей и перерабатывающей промышленности, в химической технологии, в хроматографии и фармакологии. Важной особенностью поведения жидкости является ее растекание по твердой поверхности. Например, нанесение пленок, струйная печать, методы оценки степени чистоты твердых поверхностей, третичные способы вытеснения нефти из недр основаны на явлении смачивания жидкости твердых поверхностей.

Однако, несмотря на широкое использование явления смачивания в современных технологиях, существует еще большое количество нерешенных проблем в этой области, так как все межфазные эффекты весьма чувствительны к примесям и физическому состоянию поверхности (шероховатостям, дислокациям). Кроме того, межфазную поверхность твердое тело - жидкость исследовать существенно сложней, чем, например, поверхность твердое тело - вакуум. Особое внимание при изучении растекания следует уделять двум подобным неравновесным явлениям - гистерезису краевых углов, связанному с зацеплением линии контакта за локализованные дефекты, и режиму «сухого растекания», когда конечное состояние растекшейся капли может быть пленкой значительно превышающей толщину мономолекулярного слоя. Еще одним деликатным вопросом является динамика растекания, которая указывает на различие между простыми жидкостями, растекающимися накатыванием на поверхность и расплавами полимеров, которые могут скользить по поверхности подложки.

Для изучения этих неравновесных явлений используются в основном оптические и волновые методы исследования, что делает их достаточно дорогостоящими и трудоемкими. Но практически все экспериментальные методы, использующие электронные пучки, за исключением некоторых (флуоресценция, ЭПР и др.), не могут быть применимы для исследования жидкостей, либо их область применения слишком ограничена. Это касается и электрохимических методов исследования. Другими словами, в настоящий момент все еще существует необходимость создания приборной и методической базы для исследования свойств жидкости в капиллярной гидродинамике, которые бы позволяли оперативно определять поверхностное натяжение, относительную вязкость и напряжение начального сдвига жидкости.

Цель и задачи работы.

Основной целью работы являлась разработка устройств и методов исследования свойств жидкости, определяющих поведение жидкости в капиллярной гидродинамике. При этом ставились следующие задачи:

1. Разработка устройств для исследования вязкого трения при капиллярном натекании и проведение с их помощью экспериментов по выявлению характера течения жидкости. "

2. Разработка устройства для исследования напряжения начального сдвига.

3. Разработка методик для исследования гистерезиса смачивания и растекания жидкости по твердой подложке.

Научная новизна работы

1. Предложен новый способ для измерения относительной вязкости жидкости и разработано устройство, реализующее данный способ.

2. Обнаружен скачкообразный характер движения жидкости по вертикальному капилляру и предложена методика фиксации прекурсионной пленки, предшествующей растеканию, с помощью созданной установки для исследования движения границы раздела жидкости по вертикальному капилляРУ-

3. Предложена оценка напряжения начального сдвига и впервые исследована его зависимость от толщины пленки жидкости с использованием разработанного для этого устройства.

4. На основании методики исследования растекания жидкости по твердой подложке предложена математическая оценка краевых углов натекания жидкости на горизонтальных подложках прямоугольной и треугольной форм.

Практическая значимость

Разработанные новые способ и устройство для измерения относительной вязкости жидкости позволяют оперативно и достоверно определять относительную вязкость исследуемой жидкости и дополнительно определять коэффициент поверхностного натяжения жидкостей для текущих значений температуры и влажности.

Создана установка для исследования движения границы раздела жидкости по вертикальному капилляру, благодаря которой можно исследовать характер капиллярного натекания и регистрировать краевые углы смачивания.

Разработанное устройство для исследования напряжения начального сдвига жидкости позволяет исследовать зависимость напряжения начального сдвига от толщины пленки жидкости.

Разработана новая методика исследования гистерезиса смачивания жидкостей и предложен критерий оценки краевого угла натекания при растекании жидкости по твердой подложке.

Достоверность и обоснованность результатов

Достоверность и обоснованность результатов исследования достигается физической обоснованностью поставленных задач, логической взаимосвя-

зью полученных результатов, объемом экспериментальных данных, применением статистических методов обработки экспериментальных данных и сравнением их с результатами других исследований, согласием расчетных и экспериментальных характеристик.

Личный вклад автора диссертационной работы

Диссертационная работа является полностью самостоятельной работой автора и написана по результатам исследований, выполненных лично автором, либо при его непосредственном участии.

Апробация работы

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международной научной конференции "Измерительные и информационные технологии в охране здоровья МЕТРОМЕД-2007. (г. Санкт-Петербург, 17-19 апреля 2007г.); Всероссийской научно-практической конференции с международным участием: Приоритетные направления науки и техники, прорывные и критические технологии: «Энергетические, экологические и технологические проблемы экономики» (ЭЭТПЭ-2007) (г. Барнаул, 17-20 октября 2007 г.); Международной научной конференции «Exploitation of agricultural and food industry by-products and waste material through the application of modern processing techniques» (г. Бухарест, Румыния, 1-3 июля 2008); Всероссийской научно-практической конференции с международным участием: Приоритетные направления науки и техники, прорывные и критические технологии: «Энергетические, экологические и технологические проблемы экономики» (ЭЭТГ1Э-2008) (г. Барнаул, 1-4 октября 2008 г.)

Публикации

По результатам диссертационной работы опубликовано 17 печатных

работ.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы и приложения. Она изложена на 146 страницах, включая 57 рисунков, список литературы из 109 названий в основной части и 30 в приложении.

Основные положения, представляемые к защите

1. Новое устройство и способ измерения относительной вязкости жидкости.

2. Новая установка для исследования движения границы раздела жидкости по вертикальному капилляру.

3. Новое устройство для исследования напряжения начального сдвига жидкости.

4. Новая методика исследования растекания жидкости на горизонтальных подложках прямоугольной и треугольной форм, позволяющая сделать математическую оценку краевых углов натекания жидкости.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность выбранной темы, обсуждаются цели и задачи работы, а также основные защищаемые положения.

В первой главе представлен литературный обзор приборной и методической базы для исследования растекания жидкости по твердым подложкам, вязкого трения, коэффициента поверхностного натяжения и начальных напряжений сдвига жидкости и изменения свойств жидкости после кавитацион-ной обработки. Исследованию растекания жидкости и ее поверхностным свойствам посвящено большое количество работ, в которых описываются контактные и бесконтактные методы экспериментального исследования гистерезиса краевых углов, поверхностного натяжения, напряжения начального сдвига и вязкости. Из приведенных работ можно заметить, что, в основном, эти методы основаны на экспериментальном исследовании жидкостей при их движении, а это приводит к необходимости учета сил трения и поведения жидкости под действием этих сил. Обзор измерительных устройств вязкости, поверхностного натяжения и напряжения начального сдвига показал, что до настоящего времени существовало сравнительно мало разработок, которые бы позволили просто, а главное оперативно определять эти параметры. Расчет коэффициента вязкости в ряде методов опирается на табличные значения физических характеристик жидкости (коэффициент поверхностного натяжения, плотность), которые меняются в зависимости от влажности и температуры. Кроме того, свойства биологических жидкостей являются индивидуальными для каждого организма, поэтому для них известные методы измерения вязкости могут приводить к существенным погрешностям.

Во второй главе описаны устройства для диагностики вязкости и касательного напряжения сдвига жидкости. В капиллярной гидродинамике при движении жидкости в капиллярах очень часто основными силами, определяющими характер движения, являются силы вязкого трения и силы поверхностного натяжения. При этом уравнение движения жидкости в тонком капилляре, расположенном под углом /? к горизонту запишется в виде:

ш г с)г

где т = ртлг - масса жидкости. - средняя расходная скорость, а - ко-

с/1

эффициент поверхностного натяжения, <р ~ краевой угол, /• - радиус капилляра, р - плотность жидкости, £ - ускорение свободного падения, лг"- площадь сечения капилляра, г -координата мениска жидкости в капилляре, - длина погруженного в жидкость участка. // \-р - динамическая вязкость жидкости.

^Н- - градиент скорости жидкости вблизи стснки капилляра, где становится Э г

существенной вязкость жидкости, 2тгп - площадь поверхности капилляра. Приведем выражение (I) к виду удобному для решения и найдем градиент

_ )™-2пгс/г

скорости для пуазейлевского течения _ „ Эг_= д—, где 0=8/3- па-

дг лг2 г

раметр, определяемый из усреднения градиента скорости по сечению канала. Предположим, что для непуазейлевского профиля скорости градиент скорости будет определятся тем же выражением, но с иным значением 0. Тогда выражение (I) запишется в виде:

с/ ( (Ь\ 2асоъ(р , . . а Ъ/в с/г о\

Считая, что движение жидкости в капилляре происходит главным образом за

счет силы поверхностного натяжения асополученное дифферен-

2

циальное уравнение (2) имеет для случая горизонтально расположенного капилляра следующее решение:

(3)

Ув

Помимо этого, было получено модифицированное уравнение процесса затекания жидкости в капилляр, расположенный под некоторым углом /7к горизонту:

с/ и' , . 2 „ 2 ув т Л™

—= 1 - и'вт 1}--г----

с/1 н г2 с/1

где и' иг - безразмерные координаты смещения и времени, 0' - параметр, получаемый при увеличении 0 из выражения (2) для того чтобы добиться хорошего согласия точного теоретического решения и экспериментальных данных. Кроме того, исходя из проведенных исследований, был сделано предположение, что скорость жидкости вблизи стенки цилиндрического капилляра имеет максимальное значение, существенно превышающее и среднее значение скорости, и скорость в центре капилляра.

Из выражения (3) теоретически возможно определить вязкость, если известны все физические величины, входящие в ее состав. Однако для исследования динамики движения жидкости по капилляру необходимо было бы дополнительно исследовать профиль скорости жидкости в капилляре. Поэтому был предложен способ измерения относительной вязкости биологической жидкости в двух горизонтальных капиллярах (Пол. решение о выдаче пат. Форма №01 ИЗ-2008 от 02.04.2008 №2006135687), в котором вязкость исследуемой жидкости устанавливается по характеристикам ее движения относительно эталонной:

где \\ V - кинематические вязкости эталонной и исследуемой жидкостей, И7, И - высоты капиллярного поднятия эталонной и исследуемой жидкостей в поле тяжести, Я - радиусы капилляров по которым текут соответственно эталонная и исследуемая жидкость, ¿3, I - длина растекания а - коэффициент пропорциональности который зависит от материала капилляров и от профиля скорости исследуемой и эталонной жидкостей. Этот коэффициент учитывает возможную разницу адгезионных свойств стекол и определяется с помощью эталонной жидкости. Выражение (4) можно получить из (3), если считать время движения жидкостей по капиллярам одинаковым, а отношение профилей скорости обозначить за а. Наиболее близким по техническому результату к предложенному способу является метод измерения относительной вязкости жидкости медицинским вискозиметром Гесса. Но данный метод имеет ряд недостатков - это малый диапазон измерения относительной вязкости и пренебрежение силами адгезии, которые вносят существенный вклад в движение жидкости по горизонтальному капилляру.

Для реализации предложенного способа было создано устройство, представленное на рис. 1. Устройство для определения относительной вязкости биологических жидкостей (рис. 1) состоит из корпуса I, на котором находятся сосуды 2, сообщающиеся с горизонтальными капиллярами 3 и 4, выполненными из стеклянных трубок различным внутренним диаметром, которые крепятся к корпусу 1 с помощью крепежной планки 5. С другой стороны капилляры 3 и 4 сообщаются с помощью гибких трубок 6, которые проходят через зажимы 7 корпуса 1 с трехходовым вентилем 8. Крепежная планка 5 крепится с помощью винта 9 к одной из стоек 10 корпуса 1, другие стойки 10 удерживают сосуды 2 на корпусе 1.

Рис. I Устройство для измерения относительной вязкости биологических жидкостей.

Методика измерений состоит в следующем. Предварительно определяется высота капиллярного поднятия эталонной и исследуемой жидкостей в поле тяжести, таким образом, отпадает необходимость знать коэффициент поверхностного натяжения обеих жидкостей. Далее измеряют длины одновременного растекания эталонной и исследуемой жидкостей по горизонтальным капиллярам, и определяют кинематическую вязкость из соотношения (4).

Достигаемый в предлагаемом способе измерения относительной вязкости биологических жидкостей положительный эффект заключался в следующем: увеличивался диапазон измерения относительной кинематической вязкости за счет увеличения диаметра капилляра для исследуемой жидкости (см. табл. 1). А учет сил адгезии и профиля скорости по сечению капилляров позволил определять это значение более достоверно. Кроме того, появляется возможность оценки коэффициента поверхностного натяжения жидкостей по максимальной высоте поднятия жидкости в капиллярах для текущих значений температуры и влажности.

Таблица 1 Техническая характеристика устройства для измерения относи тельной вязкости биологических жидкостей

Диапазон измерения относительной кинематической вязкости, мм*/с 1 .. .3,5-103

Диаметр капилляра для эталонной жидкости, Ю"3 м 0,34

Диаметр капилляра для исследуемой жидкости, 10" м 0,34...2

Суммарная ошибка измерения, % 4 ... 11

Рассчитаем динамический диапазон установки и проведем его анализ для различной точности определяемого значения вязкости исследуемой жидкости относительно эталонной, в качестве которой брали этиловый спирт, так как вязкость и поверхностное натяжение этилового спирта менее всего подвержены влиянию окружающей среды либо это влияние можно легко определить по известным зависимостям. Сначала рассчитаем суммарную ошибку измерения относительной вязкости данным устройством по формуле

которая будет зависеть от точности измерения длины растекания исследуемой жидкости. Возьмем точность измерения длины растекания исследуемой жидкости в пределах от 2 до 10 %, тогда суммарная ошибка измерения относительной вязкости составит 4- 11%. При этом для точности измерения равной 4 % диапазон измерения относительной кинематической вязкости будет равен 1... 150 мм~/с, а для точности равной II %- I ...3500 мм'/с.

Для верификации предложенного способа и проверки работы созданного устройства были проведены многочисленные эксперименты по измерению вязкости некоторых жидкостей. Отдельные результаты этих измерений

9

приведены в табл. 2, из которой видно, что предложенный метод позволяет с экспериментальной точностью определять значение кинематической вязкости, если известна вязкость эталонной жидкости.

Таблица 2 Экспериментальные данные по измерению различных типов масел относительно этилового спирта_

Тип масла Экспериментальные данные полученные

в данной работе j другими исследователями

t, °С Вязкость, мм2/с t,°C Вязкость, мм2/с

Mobil Super 10w/40 25 100±9 40 90

100 13,3

Трансформаторное масло ГК 26 18±2 20 24,0

25 19,0

30 15,4

Рапс 25 67±7 20 88,6

25 72,5

30 58,5

Иногда, в силу особенностей биологических жидкостей, необходимо оперативно измерять их капиллярные свойства, например вязкость крови, достаточно проблематично определить с помощью вискозиметра Гесса более двух раз для одной и той же пробы из-за ее быстрой свертываемости. Поэтому было предложено новое устройство для определения относительной вязкости жидкости - это вискозиметр для биологических жидкостей (Пат. RU №2319134 С2 Бюл. №7 10.03.2008). Данное устройство представляет собой компактный вискозиметр для экспресс-анализа исследуемой вязкой среды.

Технический результат достигается тем, что данное устройство содержит регулируемый зажим 9 на выходе полого корпуса 1, прозрачный капилляр 2, закрепленный коаксиально внутри полого корпуса, образуя коаксиальный зазор 3 таким образом, что максимальная высота поднятия эталонной жидкости в капилляре и коаксиальном зазоре одинакова. При этом полый корпус и капилляр жестко прикреплены к нижней части ванны 4, состоящей из внутренней 5 и внешней 6 герметичных емкостей для забора эта-

1

MtMxS^-jj^^j ¡у-

Рис. 2. Вискозиметр для биологических жидкостей

лонной и исследуемой жидкостей. Исследуемую жидкость наливают во внутреннюю емкость, которая сообщается с коаксиальным зазором через отверстие 7 полого корпуса, а эталонную жидкость наливают во внешнюю полость, сообщающуюся с капилляром. Кроме того, на высоте, равной половине высоты максимального поднятия эталонной жидкости в капилляре, сделана метка для удобства измерения.

Вискозиметр для биологических жидкостей позволяет снизить трудоемкость испытаний, сокращает затраты времени на эксперимент, что обеспечивает возможность проведения быстрого экспресс-анализа вязкости различных биологических жидкостей; дополнительно определять коэффициент поверхностного натяжения жидкостей; расширить область применения индивидуальными потребителями малогабаритного переносного устройства в полевых условиях. Техническая характеристика вискозиметра приведена в таблице 3.

Таблица 3 Техническая характеристика вискозиметра для биологических жидкостей___

Диапазон измерения относительной кинематической вязкости, мм2/с 1,4 ... 4

Диаметр капилляра для эталонной жидкости, 10"3 м 0,6

Коаксиальный зазор для исследуемой жидкости, 10~3 м 0,4

Суммарная ошибка измерения, % 9

Конструктивные особенности вискозиметра подобраны таким образом, что динамический диапазон устройства находится в области измерения вязкости биологических жидкостей относительно этилового спирта. Суммарная ошибка измерения относительной вязкости данным устройством рассчитывалась по формуле:

Л/г..

\2

(ЛЬ

+ т

Как уже отмечалось выше, при движении жидкости в капиллярной гидродинамике огромное влияние на это движение оказывают силы адгезии, в частности поверхностное натяжение. Для детального изучения этого влияния была разработана установка, которая позволяет исследовать движение границы раздела жидкости по вертикальному капилляру (см. рис.3). С помощью данной установки изображение капилляра и движущейся по нему жидкости, получаемое при освещении его мощной лампой Ь, проецировалось на экран Б за счет объектива О с увеличением в 35 раз. Изображение на экране снималось на цифровую видеокамеру и в дальнейшем обрабатывалось на компьютере. При исследовании движения границы раздела жидкости в капиллярах расположенных вертикально и под различными углами к горизонту было обнаружено, что заполнение капилляра происходит скачкообразно, причем, по

мере заполнения капилляра период и величина этих скачкообразных изменений быстро уменьшалась до нуля.

Рис. 3. Схема экспериментальной установки. Ь - лампа; С - линза-конденсор; СЬ - кювета с жидкостью и исследуемый капилляр; СС - кинокамера; СЯ -компьютер; 1 и 2 - точки в жидкости и на стенке капилляра, между которыми измеряет сопротивление Я; О - увеличивающий объектив; Б - экран, на котором строится увеличенное теневое изображение.

Для записи скачкообразного движения жидкости использовали установку, приведенную на рис. 3. При этом производили цифровую видеосъемку изображения с разрешением 1024x768 пикселей, частотой 15 кадров в секунду и временем экспозиции не более 1/2000 с. Далее фиксировалось положение мениска жидкости через каждые три кадра (0,2 с) и, по изменению координаты, вычислялась скорость движения мениска. Эксперименты проводились с этиловым спиртом и водой сериями, состоящими не менее чем из 5 опытов. На рис. 4 приведены два характерных графика при погружения капилляра в спирт на 91 мм и в воду.

I £ I

и

5 И

I

{н

М г I I в

.1 V Ч и1Чшти{

I'.....

а) б)

Рис. 4. Скорость движения мениска жидкости при погружении капилляра а) диаметром 0.59 мм в спирт на 91 мм, б) диаметром 0.34 мм в воду.

Качественное объяснение обнаруженного эффекта было сделано на основе предположения о наличии прекурсионной пленки, значительно опережающей меннск и тянущей за собой столб жидкости. Для проверки этого

предположения к экспериментальной установке (рис. 3) было добавлено устройство для измерения электрического сопротивления между жидкостью в кювете и стенкой капилляра (точки 1 и 2 на рис. 3). После добавления жидкости в кювету сопротивление в цепи менялось в течение нескольких секунд, а затем восстанавливалось первоначальное значение. При этом на увеличенном изображении было видно, что изменение сопротивления возникало на значительном удалении мениска от электрического контакта на стенке капилляра. Это доказывало наличие прекурсионной пленки и ее испарение, поскольку капиллярное поднятие при этом не продолжалось. В экспериментах с 96%-м этиловым спиртом мениск в среднем отстоял от электрического контакта на 0,01±0,002 м. При капиллярном поднятии дистиллированной воды также была обнаружена прекурсионная пленка, и ее длина составила 0,026±0,002 м.

Далее была приведена оценка напряжения начального сдвига по экспериментально определенной величине прекурсионной пленки. Пренебрегая весом столба жидкости в начале капиллярного поднятия, эту оценку можно провести по формуле

т = о!Н,

где Я-длина пленки. В итоге было получено для воды т= 2.8±0.2 Н/м2, а для спирта т = 2.2±0.4 Н/м2. Результаты других исследований дают на порядок отличающиеся значения, например, для воды: г = 0.11 Н/м2 и г = 0.01 Н/м2. Можно предположить, что сила адгезии приближает свойства тонкой пленки к упругим характеристикам сдвига твердого тела. Возможно, этим объясняется повышенное значение г в предлагаемой работе по сравнению с другими экспериментами. Кроме того, было сделано предположение, что т зависит от толщины слоя пленки жидкости.

Для проверки этой возможной зависимости было разработано устройство, которое представлено на рис. 5. Устройство представляет собой стеклянную плоскость, один конец которой может перемещаться вертикально за счет червячного механизма, при этом высоту наклона плоскости можно измерить с точностью до 10 мкм. Для исследования напряжения начального сдвига брали тонкие стеклянные пластины толщиной порядка 0,17-0,18 мм и различной площади, и, аккуратно опускали на свободную поверхность жидкости, налитой на горизонтально расположенную плоскость устройства так, чтобы пластина свободно плавала на ее поверхности. Изменение толщины прослойки жидкости происходило за счет изменения массы пластинок.

В ходе эксперимента измерялся угол поднятия плоскости, при котором начинала двигаться стеклянная пластина относительно жидкости. Зная этот угол можно было примерно оценить напряжение начального сдвига г» жидкости по формуле:

где »/- масса пластин, Л - площадь пластин.

Рис. 5. Устройство для исследования напряжения начального сдвига жидкости: 1 - стеклянная плоскость; 2 - червячный механизм; 3 -микрометр; 4 - пластина; 5 - исследуемая жидкость.

Эксперимент проводили с пластинами различной площадью. Массу пластин изменяли за счет увеличения их числа, при этом пластины проклеивались для того, чтобы жидкость не попадала в свободное пространство между ними. В качестве исследуемой жидкости брали дистиллированную воду. Эксперимент по измерению угла наклона плоскости, с которого начиналось движение пластины относительно жидкости, проводили не менее 10 раз. Все экспериментальные данные представлены на графике (рис. 6). Из графика видно, что чем больше масса пластинки, тем больше т» и эта зависимость не линейна, т.е. чем больше масса, тем тоньше становится пленка жидкости между нижней пластиной и плоскостью, и тем труднее сдвинуть пластины относительно плоскости.

Анализируя экспериментальные данные и значения т«, полученные при исследовании прекурсионной пленки можно предположить, что напряжение начального сдвига зависит от толщины пленки жидкости. Чем тоньше пленка жидкости, тем она ближе к упругим свойствам твердого тела. Возможно, значения напряжения начального сдвига, полученные при исследовании прекурсионной пленки, соответствуют максимальному значению г» для жидкости, так как предшествующая растеканию прекурсионная пленка по оценкам, приведенным в обзоре де Жена, составляет - 10"8 м. Возможно, именно поэтому значения напряжения начального сдвига, получаемые различными методами, так сильно отличаются друг от друга.

Третья глава посвящена описанию методов исследования гистерезиса смачивания. Исследования гистерезиса смачивания были проведены как на плоских капиллярах, так и на цилиндрических капиллярах разного диаметра. Исследования были основаны на измерении краевого угла при изменении

0 0.2 0.4 Об 0.8 1 1.2

масса пластин т. г

Рис. 6. Зависимость напряжения начального сдвига воды от массы пластинок (Б1 = 5,76 см2; 52 = 3,12-3,36 см2).

уровня жидкости в капилляре и проводились с помощью установки, приведенной на рис. 3.

а) б) в)

Рис.7 Схема эксперимента, проводимого с плоскими и цилиндрическими капиллярами: а) равновесное состояние; б) опускание пластинки; в) максимальное поднятие пластинки.

При этом капилляры крепились к стойке с возможностью перемещения микровинтом М с точностью 0,5 мм, как показано на рис. 7. Было проведено 3 серии экспериментов, в которых фиксировалось равновесное поднятие жидкости (рис. 7а), максимальное опускание жидкости в капилляре (рис. 76) и максимальное поднятие жидкости в капилляре (рис. 7в).

2о, ММ

90 -

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1.6 1,8 2 2,2 2.4

Л. мм

Рис. 8. График зависимости высоты поднятия дистиллированной воды от расстояния между пластинами (<1): а) равновесное состояние, б) максимальное поднятие

По полученным данным для плоских капилляров были построены графики зависимости высоты поднятия (го) от расстояния между пластинами (<1), приведенные на рисунках 8а и 86. Аппроксимация экспериментальных точек приводит к гиперболической зависимости (согласно закону Лапласа) с отличающимися практически вдвое константами для равновесного и максималь-

ного поднятия. При этом для максимального поднятия (рис. 86) все экспериментальные точки совпадают с аппроксимирующей кривой в пределах ошибки эксперимента (7 %), а для равновесного состояния (рис. 8а) такое совпадение не наблюдается, случайная ошибка достигача 22 %. Это можно объяснить тем, что равновесное поднятие является случайной величиной, зависящей от начальных условий и гистерезиса смачивания.

Коэффициент поверхностного натяжения, рассчитанный по формуле Лапласа на основе экспериментальных данных для плоского и цилиндрического капилляров, отличался от табличного значения почти на 50%. Такое несовпадение объясняется существенным влиянием силы трения. Кроме экспериментов с дистиллированной водой были проведены эксперименты со спиртом, глицерином и маслом рапс.

В этой же главе более подробно исследованы краевые углы натекания с помощью горизонтальной подложки в виде прямоугольного и треугольного коробов (рис. 9) и приведена математическая оценка этих углов в зависимости от параметров растекания. При этом ширина для прямоугольных коробов варьировалась от 2 до 9,6 мм. Короба изготавливались из стали марки ст. 45, дюралюминия, стекла марки М2, полистирола, органического стекла марки ТОСГ1. Длина горизонтального короба составляла 0,5 м. В качестве жидкости использовались дистиллированная вода, спирт, глицерин. Все эксперименты проводились при температуре 25 ± 2 °С. Были взяты следующие табличные значения поверхностного натяжения для воды, глицерина и спирта при данной температуре 72,1; 59,2 и 22,3 мН/м соответственно. Диэлектрические проницаемости исследуемых жидкостей £|: воды, глицерина и спирта составляли 80, 60 и 27, а твердых подложек из окиси металла, стекла, органического стекла и полистирола £:: 8; 5; 3,4; 2,2. При этом систематическая ошибка измерения объема всех исследуемых жидкостей составила 0,02 см3. А абсолютная случайная ошибка измерения краевого угла натекания состави-

Рис. 9 Аксонометрическая проекция схемы растекания жидкости: а) в прямоугольном коробе, б) в треугольном коробе.

Если записать равенство сил способствующих и препятствующих растеканию капли по прямоугольному коробу (рис. 9а), то выражение для краевого угла натекания в прямоугольном коробе примет вид:

1+

где в - краевой угол натекания, V- объем, наливаемой жидкости, d - ширина короба, L - длина растекания жидкости. Следует отметить, что выражение (5)

( и Л

имеет смысл, начиная с критического угла натекания q > arcc0s .

В приведенных экспериментах краевой угол натекания получался всегда больше критического значения.

Для треугольного короба (рис. 96) выражение, аналогичное соотношению (5), с учетом его геометрии запишется в виде:

Из выражения (6) следует, что оно имеет смысл только при в > тс/4. Краевые углы натекания в<к/4 соответствуют полной смачиваемости с высотой слоя жидкости /7 = 0.

Подстановка экспериментально полученных данных по растеканию жидкости в горизонтальных коробах в выражения (5) и (6) позволила построить зависимость равновесного краевого угла натекания от объема и длины растекания жидкости. На рис. 10 представлены графики зависимостей равновесного краевого угла натекания от объема наливаемой жидкости для воды и глицерина, которые сравнивались со значениями, полученными при исследовании гистерезиса смачивания с помощью плоских и цилиндрических капилляров.

Далее в третьей главе приведен пробный анализ влияния различного рода поверхностей на растекание жидкости. В проведенных исследованиях использовались два вида поверхностей твердого тела: высокоэнергетическая поверхность металла, покрытая окисной пленкой с поверхностной энергией от 0,5 до 5 Дж/м2 и низкоэнергетические диэлектрики с поверхностной энергией около 0,05 Дж/м2. Судя по зависимости длины растекания спирта от объема налитой в короб жидкости, полное смачивание металлической подложки не наблюдалось. Запишем коэффициент растекания приближенно выразив поляризуемость диэлектрика через соответствующие диэлектрические проницаемости полярной жидкости (£/), диэлектрической подложки (£>), и коэффициент поверхностного натяжения между жидкостью и газом (о): Б = к(£-,-1)(4-,-1)-2а- Значимость этого коэффициента растекания связана с наличием слагаемого, отвечающего за взаимодействия с поверхностью твердого тела. По все видимости, от этого коэффициента должна зависеть и высота капиллярного поднятия, получаемая из формулы Лапласа, в которой взаимодействие жидкости с поверхностью учитывается через краевой угол. С другой стороны, возможно, в этом коэффициенте растекания содержится бо-

d + V !(Ld)

(6)

лее полный ответ на вопрос о физической природе гистерезиса смачивания, которая обусловлена не только наличием шероховатостей на поверхности твердого тела, граничащего с жидкостью, но и полярным взаимодействием между жидкостью и твердой поверхностью.

70

60 ....................................... , , .

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3,5 <1 4.5

V, см'

а)

1. стекло, вода, ширина короба с) = 2 мм; 2 стекло, глицерин, ширина короба й = 2 мм;

3. сталь, вода, ширина короба (1 = 2,4 мм;

4. сталь, глицерин, ширина короба с! = 2 мм;

5. оргстекла, вода, ширина короба с1 = 2,2 мм;

6. полистирол, вода, ширина короба (1 = 1,7 мм

в,'

105

юо;

0.5 1 1,5 2 2.5 3 3.5 4 4,5 5 5,5 6 6,5

V, см"

б)

1. стекло, вода, ширина короба с! = 4 мм, 2 стекло, глицерин, ширина короба с1 = 4 мм,

3. сталь, вода, ширина короба й = 4,2 мм;

4. сталь, глицерин, ширина короба с! = 4,2 мм;

5. оргстекло, вода, ширина короба <1 = 4,2 мм;

6. полистирол, вода, ширина короба ё = 3,3 мм

Рис. 10 Графики зависимости равновесного краевого угла натекания от объема наливаемой жидкости: а) в горизонтальных прямоугольных коробах шириной ~ 2 мм, б) в горизонтальных прямоугольных коробах шириной - 4 мм, для воды и глицерина.

В приложении приведено исследование свойств жидкости после кавитации. Обзор методов исследования свойств жидкости после кавитационного воздействия показал, что большинство работ направлено в основном на изучение разрушительного действия самой жидкости при кавитации на твердые частицы, например, при диспергации. А также на изучение звуковых эффектов при кавитации жидкости и содержание различных газов в кавитационных пузырьках. Поэтому такое исследование сужает рамки применимости данного явления на практике. Кроме того, мало работ посвящено механизму возникновения кавитации в жидкости и структурным преобразованиям жидкости при кавитации, что тоже приводит к недостаточному пониманию этого явления.

В данной работе исследовано действие кавитации на воду, которое приводило к изменению ее физико-химических свойств: изменению рН, увеличению числа свободных ионов и активных радикалов, переструктуризации и активации молекул. При проведении экспериментов по кавитационному

18

воздействию на воду было обнаружено, что обеззараживание и уничтожение микрофлоры в ней может происходить и в докавитационных режимах течения, что возможно связано с высокими градиентами скорости, приводящими к повышенному содержанию пероксида водорода. Здесь приводятся данные, что пропускание грязной воды через насос оказывало бактерицидное действие, начиная с температур примерно 50 "С. Так проверка согласно санитарному регламенту после 30 минутного воздействия кавитации показала снижение общего микробного числа с 630/мл до менее 1/мл, а количество общих колиформных бактерий уменьшилось с нескольких десятков тысяч в 100 мл до 10/100 мл. При циркуляции через насос этой воды в течение часа вода стала соответствовать санитарным требованиям к качеству воды. Конечно, следует учесть, что сам процесс нагревания может уменьшать количество патогенной микрофлоры за счет пастеризации, но вклад этого эффекта легко учитывался обычным нагреванием, и он оказался пренебрежимо малым.

Эксперименты по исследованию докавитационного и навигационного режимов течения жидкости проводились с помощью двух центробежных насосов с электродвигателем «М» (2 кВт) и с более мощным электродвигателем «Б» (>10 кВт). В качестве исследуемых жидкостей использовали воду с микрофлорой, дистиллированную воду, и различные растворы: 1%-ный, 0,01%-ный растворы пероксида водорода и 0,1%-ный раствор серной кислоты. В ходе эксперимента по исследованию течения жидкости в замкнутом гидродинамическом контуре в докавитационных и кавитационных режимах через каждые пять минут производили измерения температуры, а через каждые пять градусов отбирали пробы воды и растворов для определения рН и плотности. После эксперимента были сняты ИК-спектры воды и раствора. .

Измерение плотности воды и растворов показало, что с увеличением температуры плотность жидкостей в среднем монотонно уменьшалась. Однако для 1%-ного раствора пероксида водорода при нагревании насосом в интервале температур 55-70 °С и для 0,1%-ного раствора серной кислоты в близком интервале температур 50-65 °С возникало локальное увеличение плотности жидкости с повышением температуры. Такое поведение, возможно, было связано с тем, что при нагревании насосом в этом диапазоне температур происходила перестройка структуры молекулярных цепочек к более плотно упакованным сегментам. Заметим, что эта перестройка происходила как раз в том диапазоне температур, где принято считать кавитационное воздействие наиболее эффективным.

Исследование рН дистиллированной воды и растворов в докавитационных и кавитационных режимах течения проводили в сравнении с их обычным нагреванием («холостой» опыт) (см. рис. 11). Из полученных данных видно, что в процессе кавитации важным фактором является не только температура, но и концентрация пероксида водорода. При обычном нагревании рН 0,01%-ного и 1%-ного растворов пероксида водорода смещается в слабощелочную среду (рН 7,5-8,2). При нагревании жидкостей насосом с двигате-

лем «Б» резко изменяется закономерность водородного показателя: при высокой концентрации пероксида водорода рН резко уменьшается (до рН = 3,5) (кривая 4), а при низкой концентрации - рН возрастает и имеет максимум в щелочной среде при 55 °С (кривая 2). Эти изменения, по всей видимости, связаны с начатом интенсивных кавитационных процессов и механизмом образования и разложения пероксида водорода в докавитационных и кавитационных режимах. Содержание в воде 0,1%-ного раствора серной кислоты также изменяло характер изменения рН. Исходя из полученных данных после 60 °С начиналась активная перестройка молекулярной структуры воды и происходила частичная нейтрализация ионов водорода за счет генерации гидроксид-

—о— 1 - 0,01%-ныйраствор пероксида водорода ("холостой" опыт)

—•— 2 - 0,01 %-ный раствор пероксцца

водорода при нагревании насосом (с насадкой)

- -а- ■■ 3 - 1%-ныйраствор пероксида водорода ("холостой" опыт)

* 4 - 1%-ныйраствор пероксида водорода при нагревании насосом

—о— 5-0,1 %-ный раствор серной кислоты ("холостой" опыт)

—•— 6 - 0,1 %-ный раствор серной кислоты при нагревании насосом

Рис. 11 - Изменение рН 0,01%-го и 1%-го раствора пероксида водорода, и 0,1%-го раствора серной кислоты при обычном нагревании и при нагревании с помощью насоса '■

ионов вследствие начала кавитации.

Л' i | / / ч \ /Л i

\ N ___ Í 1 lJ V \ N

i

■loco 350Г, >.:и; гзсщ 2<kxi ir/ra ican ¡юскм

Рис. 12 - ИК-спектр дистиллированной воды, пропущенной через насос

ИК-спектр воды представлен характеристичными полосами валентных и деформационных колебаний ОН-группы. Исследуемые пробы имели широ-

кую полосу поглощения в области 3850-2600 см"' (ион), узкую полосу при J 6)5 см"1 (5он). При обработке воды в насосе, обе характеристичные полосы колебаний ОН-групп уширились (рис. 12). Добавление пероксида водорода приводило к сужению полосы валентных колебаний. Синтезирование пероксида водорода в докавитационном режиме течения с малой концентрацией приводило к насыщению воды электронами, а с искусственным повышением концентрации Н202 зарядовое состояние становилось близким к нейтральному. Чем выше концентрация окислителя, тем более структурирована вода. На основании этого можно предположить, что в зависимости от соотношения синтезируемого пероксида водорода в докавитационном процессе и искусственного добавления возникал различный механизм образования ион-радикалов. Так при нагревании 1%-ного раствора пероксида водорода с помощью насоса рН раствора сдвигается в низкую область вследствие механизма:

Н202 <=* 02Н' + Н' 1с Н'

А при нагревании воды и растворов насосом с малой начальной концентрации пероксида водорода (0,01 %) возможен другой механизм образования ион-радикалов:

Н202 <=> 20Н' ОН'+ 1ё -> ОН"

(i, Па с

300

250 Í 200 Í 150 i 100 \ 50 i

О —i—i—I—i—i—г—i—i—I—I—i—i—i—■—I—i—I—I—I—i

20 30 40 50 60

t, 'C

Рис. 13 - Зависимость изменения относительной вязкости масла рапс от его температуры в ходе эксперимента по кавитационному воздействию на него и после эксперимента (крестиком обозначена относительная вязкость рапса, измеренная через сутки после эксперимента).

Далее в приложении представлено исследование по дроблению капель жидкости центрифугой с вибрирующими пластинами, которые открывали щель для жидкости при определенной скорости вращения. Было произведено измерение капель воды, распыляемых центрифугой. С одной вибрирующей пластиной получили средний размер частицы 2.9 ±0,1 мкм. С двумя пласти-

нами получили средний размер частицы 2,8 ± 0,1 мкм. При этом выяснилось, что количество пластин на размер частиц практически не влияет. При этом центрифуга с дополнительно установленной сеткой эффективно производит очистку воды только от крупных фракций диаметра больше 100 мкм.

Кроме того, здесь приведены исследования кавитационного воздействия на различные жидкости, в результате которых были получены однородные эмульсии масла и воды, а также частичное смешение органических и неорганических веществ. Кавитационное воздействие на жидкости приводило к структурной перестройке молекул жидкости, что проявилось в изменении её вязкости. При этом период возврата вязкости жидкости к первоначальному значению мог изменяться от десятков минут до суток (рис. 13).

Основные выводы и результаты работы

1. Разработан способ измерения относительной вязкости жидкости и устройство для реализации этого способа.

2. Разработана установка для исследования движения границы раздела жидкости по вертикальному капилляру.

3. Предложена методика исследования скачкообразного характера капиллярного движения жидкости и краевых углов смачивания в плоских и цилиндрических капиллярах.

4. Разработано устройство для исследования напряжения начального сдвига жидкости, в результате применения которого предложена оценка напряжения начального сдвига, и исследована его зависимость от толщины пленки жидкости.

5. Разработана методика исследования гистерезиса смачивания и растекания жидкости по твердой подложке, на основании которой предложена математическая оценка краевых углов натекания жидкости на горизонтальных подложках прямоугольной и треугольной форм.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Волков В.И., Козлов Д.Ю., Кирколуп Е.Р. Исследование затекания жидкости в тонкие капилляры при малых числах Вебера // Журнал технической физики, т. 77, Вып. 7, 2007. - с. 24-27.

2. Волков В.И., Козлов Д.Ю., Кирколуп Е.Р. Динамика капиллярного натекания // Известия вузов. Физика, №5. - Томск, 2007. - с. 69-72.

3. Волков, В.И. Исследование динамики движения жидкости по капилляру / В.И. Волков, Д.Ю. Козлов, Е.Р. Кирколуп // Известия АГУ, № 1 (53), - Барнаул: изд-во АлтГУ, 2007. - с. 100 - 104.

4. Волков, В.И. К вопросу о затекании жидкости в тонкие капилляры / В.И. Волков. Д.Ю. Козлов, Е.Р. Кирколуп // Труды международной научной

конференции "Измерительные и информационные технологии в охране здоровья МЕТРОМЕД-2007" - СПб:Изд-во Политехн.ун-та, 2007. - с. 56-57.

5. Волков В.И., Козлов Д.Ю., Кирколуп Е.Р. Способ измерения относительной вязкости биологической жидкости. Пол. решение о выдаче пат. Форма Л'«01 ИЗ-2008 от 02.04.2008 №2006135687.

6. Волков В.И., Кирколуп Е.Р. Устройство для определения относительной вязкости биологических жидкостей. Пат. ГШ №2319134 С2 Бюл. №7 10.03.2008.

7. Волков В.И., Козлов Д.Ю., Кирколуп Е.Р. К вопросу неравномерности капиллярного течения // Письма в журнал технической физики, т. 33, Вып. 21, 2007.-с. 37-41.

8. Волков, В.И. Исследование пульсаций при капиллярном натекании / В.И. Волков, Д.Ю. Козлов, Е.Р. Кирколуп // Сборник научных работ «Актуальные проблемы фармации», Вып. IV. - Барнаул: Изд-во АГМУ, 2007. - с. 63-68.

9. Волков, В.И. Исследование скачкообразного характера натекания жидкости в тонкие капилляры / В.И. Волков, Д.Ю. Козлов, Е.Р. Кирколуп // Материалы Всероссийской научно-практической конференции с международным участием (Приоритетные направления науки и техники, прорывные и критические технологии: «Энергетические, экологические и технологические проблемы экономики» (ЭЭТГ1Э-2007)) / Под ред. Д.Д. Матиевского, П.К. Се-начина - Барнаул: ОАО «Алтайский дом печати», 2007. - с. 26-28.

10. Волков В.И., Лескова С.С., Кирколуп Е.Р. Экспериментальное исследование гистерезиса смачивания с помощью плоского капилляра // Вестник Уральской Медицинской Академической Науки, № 2 (12). - Екатеринбург, 2006. - с.48-50.

11. Волков, В.И. Экспериментальное исследование гистерезиса смачивания / В.И. Волков, С.С. Лескова, Е.Р. Кирколуп // Известия АГУ, № 1 (49). - Барнаул: изд-во АлтГУ, 2006.-с. 106-111.

12. Волков, В.И. Исследование краевых углов оттекания в вертикальных капиллярах различной геометрии / В.И. Волков, Е.Р. Кирколуп // Актуальные проблемы фармации. Выпуск V. - Барнаул, 2008. - с. 25-31.

13. Волков, В.И. Экспериментальное исследование краевых углов натекания в горизонтальных коробах / В.И. Волков, Е.Р. Кирколуп II Известия Алт. гос. унив. - 2008. - №3 (55). - с. 50-56.

14. Волков, В.И. Исследование кавитационных полей и оценка их эффективности / В.И. Волков, И.Б. Каграков, В.Н. Беккер, Е.Р. Кирколуп, М.Г. Иванов // Сборник научных работ «Актуальные проблемы фармации», Вып. IV. -Барнаул: Изд-во АГМУ, 2007. - с. 69-83.

15. Волков, В.И. Мехапохимические преобразования воды в высокоградиентных потоках / В.И. Волков, И.Б. Катраков, В.Н. Беккер, Е.Р. Кирколуп, М.Г. Иванов // Известия АГУ, № 3 (55). - Барнаул: изд-во АлтГУ, 2007. -с. 63-71.

к

16. Волков, В.И. Регистрация свойств жидкости при различных физических воздействиях / В.И. Волков, Д.А. Колосов, Е.Р. Кирколуп, С.Б. Никулин // Сборник научных работ «Актуальные проблемы фармации», Вып. IV. - Барнаул: Изд-во АГМУ, 2007. - с. 45-54.

17. V. Volkov, I. Katrakov, D. Kozlov, E. Kirkolup. Influence Cavitation on the Wood Sawdust Fluidized in Water// Materials of International conference «Exploitation of Agricultural and Food Industry By-Products and Waste Material Through the Application of Modern Processing Techniques». - Bucharest, 2008. - pp. 19-

22.

Подписано в печать 12.11.2008

Объем 1 п.л.

Бесплатно

Печать ризографичсская Бумага офсетная Тираж 100 экз.

Отпечатано: РА «ПАРАГРАФ» г. Барнаул, пр. Ленина 40. каб. 31. тел. (385-2) 366-143 Лицензия на полиграфическую деятельность ПД 12-061 от 04.01.2002 г.

ВВЕДЕНИЕ.- 3

ГЛАВА 1. ПРИБОРЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ СВОЙСТВ ЖИДКОСТИ В КАПИЛЛЯРНОЙ ГИДРОДИНАМИКЕ.-6

1.1. Оценка свойств жидкости в капиллярной гидродинамике.- 6

1.2. Обзор и анализ методов и устройств для измерения поверхностного натяжения жидкостей.- 9

1.3. Обзор и анализ методов и устройств по измерению напряжения начального сдвига.

- 161.4. Анализ устройств для измерения вязкости жидкости.- 21

ГЛАВА 2. УСТРОЙСТВА ДЛЯ ДИАГНОСТИКИ ВЯЗКОСТИ И КАСАТЕЛЬНОГО

НАПРЯЖЕНИЯ СДВИГА ЖИДКОСТИ.- 26

2.1. Исследование динамики капиллярного натекания.- 27

2.1.1. Капилляр расположенный горизонтально.- 29

2.1.2. Проведение эксперимента и исследование профиля скорости в капилляре .-322.1.3. Капилляр расположенный под углом к горизонту.- 38

2.2. Способ измерения относительной вязкости биологической жидкости.- 46

2.3. Вискозиметр для биологических жидкостей.- 52

2.4. Установка для исследования движения границы раздела жидкости в вертикальном капилляре.- 57

2.5. Исследование напряжения начального сдвига при изменении толщины прослойки жидкости.- 66

ГЛАВА 3. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ГИСТЕРЕЗИСА СМАЧИВАНИЯ.-70

3.1. Экспериментальное исследование гистерезиса смачивания с помощью плоского капилляра.- 70

3.2. Экспериментальное исследование гистерезиса смачивания с помощью цилиндрического капилляра.- 78

3.3. Исследование гистерезиса смачивания с помощью металлических и диэлектрических подложек различной геометрии.- 85

3.3.1. Угол отгекания в металлических и диэлектрических капиллярах различной геометрии.- 86

3.3.2. Исследование растекания жидкости по горизонтальным металлическим и диэлектрическим подложкам.- 92

Актуальность;

Исследование свойств и характеристик жидкостей, таких как поверхностное натяжение, вязкость, процесс растекания жидкости по твердой подложке, требуются во многих отраслях промышленности: в нефтедобывающей и перерабатывающей промышленности, в химической технологии, в хроматографии и фармакологии. Важной особенностью поведения жидкости является ее растекание по твердой поверхности [1-10]. Например, нанесение пленок, струйная печать, методы оценки степени чистоты твердых поверхностей, третичные способы вытеснения нефти из недр основаны на явлении смачивания жидкости твердых поверхностей [1,5].

Однако, несмотря на широкое использование явления смачивания в современных технологиях, существует еще большое количество (нерешенных проблем в этой области, так как все межфазные эффекты весьма чувствительны к примесям и физическому состоянию поверхности (шероховатостям, дислокациям). Кроме того, межфазную поверхность твердое тело — жидкость исследовать существенно сложней, чем, например, поверхность твердое тело -вакуум [1,2]. Особое внимание при изучении растекания следует уделять двум подобным неравновесным явлениям - гистерезису краевых углов [1,2,11,12], связанному с зацеплением линии контакта за локализованные дефекты, и режиму «сухого растекания», когда конечное состояние растекшейся капли может быть пленкой значительно превышающей толщину мономолекулярного слоя [1]. Еще одним деликатным вопросом является динамика растекания, которая указывает на различие между простыми жидкостями, растекающимися накатыванием на поверхность и расплавами полимеров, которые могут скользить по поверхности подложки [10].

Для изучения этих неравновесных явлений используются в основном оптические и волновые методы исследования, что делает их достаточно дорогостоящими и трудоемкими. Но практически все экспериментальные методы, использующие электронные пучки, за исключением некоторых флуоресценция, ЭПР и др.), не могут быть применимы для исследования жидкостей, либо их область применения слишком ограничена. Это касается и электрохимических методов исследования [1]. Другими словами, в настоящий момент все еще существует необходимость создания приборной и методической базы для исследования свойств жидкости в капиллярной гидродинамике, которые бы позволяли оперативно определять поверхностное натяжение, относительную вязкость и напряжение начального сдвига жидкости.

Цель работы:

Основной целью работы являлась разработка устройств и методов исследования свойств жидкости, определяющих поведение жидкости в капиллярной гидродинамике. При этом ставились следующие задачи: о Разработка устройств для исследования вязкого трения при капиллярном натекании и проведение с их помощью экспериментов по выявлению характера течения жидкости. Разработка устройства для исследования напряжения начального сдвига. ® Разработка методик для исследования гистерезиса смачивания и растекания жидкости по твердой подложке.

Научная новизна работы; о Предложен новый способ для измерения относительной вязкости жидкости и разработано устройство, реализующее данный способ, о Обнаружен скачкообразный характер движения жидкости по вертикальному капилляру и предложена методика фиксации прекурсионной пленки, предшествующей растеканию, с помощью созданной установки для исследования движения границы раздела жидкости по вертикальному капилляру. Предложена оценка напряжения начального сдвига и впервые исследована его зависимость от толщины пленки жидкости с использованием разработанного для этого устройства. На основании методики исследования растекания жидкости по твердой подложке предложена математическая оценка краевых углов натекания жидкости на горизонтальных подложках прямоугольной и треугольной форм.

Практическая значимость:

Разработанные новые способ и устройство для измерения относительной вязкости жидкости позволяют оперативно и достоверно определять относительную вязкость исследуемой жидкости и дополнительно определять коэффициент поверхностного натяжения жидкостей для текущих значений температуры и влажности.

Создана установка для исследования движения границы раздела жидкости по вертикальному капилляру, благодаря которой можно исследовать характер капиллярного натекания и регистрировать краевые углы смачивания.

Разработанное устройство для исследования напряжения начального сдвига жидкости позволяет исследовать зависимость напряжения начального сдвига от толщины пленки жидкости.

Разработана новая методика исследования гистерезиса смачивания жидкостей и предложен критерий оценки краевого угла натекания при растекании жидкости по твердой подложке.

Основные положения, представляемые к защите: Устройство и способ измерения относительной вязкости жидкости. Установка для исследования движения границы раздела жидкости по вертикальному капилляру. о Устройство для исследования напряжения начального сдвига жидкости. © Методика исследования растекания жидкости на горизонтальных подложках прямоугольной и треугольной форм, позволяющая сделать математическую оценку краевых углов натекания жидкости.

Основные выводы и результаты работы:

• Разработан способ измерения относительной вязкости жидкости и устройство для реализации этого способа.

• Разработана установка для исследования движения границы раздела жидкости по вертикальному капилляру.

• Предложена методика исследования скачкообразного характера капиллярного движения жидкости и краевых углов смачивания в плоских и цилиндрических капиллярах.

• Разработано устройство для исследования напряжения начального сдвига жидкости, в результате применения которого предложена оценка напряжения начального сдвига и исследована его зависимость от толщины пленки жидкости.

• Разработана методика исследования гистерезиса смачивания и растекания жидкости по твердой подложке, на основании которой предложена математическая оценка краевых углов натекания жидкости на горизонтальных подложках прямоугольной и треугольной форм.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Де Жен П.Ж., Смачивание: статика и динамика. // Успехи физических наук, т. 151, вып. 4, 1987. с. 619-681.

2. Сумм Б.Д. Гистерезис смачивания // Соросовский образовательный журнал, № 7, 1999. с. 98 - 102.

3. Синяченко О.В., Губергриц Н.Б., Череватская Е.Ю., Иванова Е.В. перспективы применения динамической межфазной тензиометрии в клинической гематологии. // Украинский медицинский журнал. № 1 (15), 2000, -с. 16-20.

4. Голубев М.В., Халикова А.И. Оптимизация процесса подачи деэмульгатора. // Нефтегазовое дело, 2004, http://www.ogbus.ru

5. Тарасов О.А., Горбачева Н.А., Фестонная нестабильность капли летучей нерастворимой жидкости, помещенной на поверхность другой жидкости, при охлаждении испарением. // Письма в ЖТФ, т. 33, вып. 4, 2007. — с. 39-44.

6. Иванова Н.А. Капиллярные движения пузырьков и капель, управляемые тепловым воздействием света: Автореф. дис. канд. ф.-м. наук: 01.02.05 / Тюменский государственный университет. Тюмень, 2004. — 20 с.

7. Харламов В.Ф., Ануфриев К.М., Крутовский Е.П., Мосин Ю.В., Злоткин Е.А., Емельянов И.В. Кинетика адсорбции и рекомбинации атомов водорода на поверхности твердых тел // Письма в ЖТФ. 1998, Т. 24, №5. с.23-27.

8. Witkowska-Walczak B. Hysteresis between Wetting and Drying Processes as affected by Soil Aggregate Size. // International Agrophysics, 2006, Vol. 20, No. 4, pp. 359-365.

9. Sander G.C., Norbury J. Effect of Hysteresis on wetting Front Stability // European Geosciences Union 2004, Geophysical Research Abstracts, Vol. 6, 07292, 2004.

10. Нерпина H.C. Течение полярных жидкостей с водородными связями через капилляры с лиофильными стенками. М: Наука, 1974. — с. 76-79.

11. Дерягин Б.В., Железный Б.В. и др. Свойства жидкостей в тонких кварцевых капиллярах. М: Наука, 1974. - с. 90-94.

12. Адамсон А. Физическая химия поверхностей. М.: Мир, 1979. - 568 с.

13. Успехи коллоидной химии / под ред. П.А. Ребиндера и Г.И. Фукса, — М.: Наука, 1973.-с. 5-8

14. Русанов А. И. Фазовые равновесия и поверхностные явления. — Л., «Химия», Ленингр. отделение, 1967. 388 с.

15. Дерягин Б.В., Кротова Н.А., Смилга В.П., Адгезия твёрдых тел. — М.: Наука, 1973.-280 с.

16. Васильев Ю.М., Маленков А.Г., Клеточная поверхность и реакции клеток. -Л., 1968.-296 с.

17. Belova N. S., Leonov S. B. Capillary Hydrodynamics of the Liquid-Gas Interface in Flotation // Journal of Mining Science, 1994, Vol. 29, No. 6, pp. 537-541.-10922. Моррисон С. Химическая физика поверхности твердого тела. — М.: Мир, 1980.-488 с.

18. Физика поверхности полупроводников // Сб. статей. Перевод под ред. Г.Е.Пикуса. М.: Иностранная литература, 1959. — 423 с.

19. Электронные процессы на поверхности и в монокристаллических слоях полупроводников // Труды симпозиума. Под ред. А.В. Ржанова. — Новосибирск: Наука, 1967.-240 с.

20. Физико-химические процессы в полупроводниках и на их поверхности. -Воронеж: Изд-во ВГУ, 1981.-200 с.

21. Полтавцев Ю.Г., Князев А.С. Технология обработки поверхностей в микроэлектронике. Киев: Техника, 1990. - 206 с.

22. Власов В.М. Работоспособность упрочненных трущихся поверхностей. -М.: Машиностроение, 1987. 304 с.

23. Hauksbee F. Physico-mechanical experiments, London, 1709, pp. 139-169.

24. Maxwell J.C. Capillary action. / The encyclopaedia britannica, 11th edition, cambrige: at the university press, 1910, vol. 5, p. 256.

25. Гиббс Дж. В. Термодинамические работы. / Пер. с англ. Под ред. В.К. Семенченко. М. - JL, Гостехиздат, 1950. - 492 с.

26. Русанов А.И. 100 лет теории капиллярности Гиббса. // В сборнике: Современная теория капиллярности. JL: Химия, 1980. - 344 е., ил. . ,

27. Ван-дер-Ваальс И.Д., Констам Ф. Курс термостатики. 4.I.II. М.:ОНТИ, 1936.

28. Bakker С. Kapillaritat und Oberflachenspannung. / Handb. der exper. phys. bd. vi. Leipzig, Wien-harms, 1928.

29. Гугенгейм Э. Современная термодинамика. / Пер. с англ. М.: Госхимиздат, 1941.

30. Русанов А.И. Термодинамика поверхностных явлений. М.: Наука, 1989. -305 с.

31. Эткинс П. Физическая химия. Т.2. М.: Мир, 1980. - 584 с. . »

32. Френкель Я.И. Кинетическая теория жидкостей. JL: Наука 1975. - 592с.- 11038. Стасенко JI. Молекулы, сосиски и алмазы // Квант, 2003, №1. с. 35-36.

33. Дедков Г.В. Нанотрибология: экспериментальные факты и теоретические модели // Успехи физических наук. 2000, Т. 170, №6. с.585-618.

34. Харламов В.Ф., Васильев Н.Ф., Иващук О.А., Крутовский Е.П., Мосин Ю.В., Злоткин Е.А. Начальный пик на зависимости от времени скорости гетерогенной рекомбинации атомов водорода на поверхности кристаллофосфоров // Письма в ЖТФ. 1998, Т. 24, №3. с.54-59.

35. Вайнштейн Э.Ф. Зависимость поверхностного натяжения от размера системы и диаметра волокна // Текстильная химия, №2 (11), 1997. с. 11-16.

36. Гегузин Я.Е. Капля./ Я.Е. Гегузин; АН СССР. 2-ое доп. изд. - М., "Наука", 1977. - 176 е.: ил. (науч. попул. серия)

37. Оно С., Кондо С. Молекулярная теория поверхностного натяжения вIжидкостях./ Под ред. И.З. Фишера. М., Изд. иностр. лит., 1978. — 291 с.

38. Справочник по физико-химическим методам исследования объектов окружающей среды / Г.И. Аранович, Ю.Н. Коршунов, Ю.С. Ляликов. Л.: Судостроение, 1979. - 648 с.

39. Арсентьев П.П. Физико-химические методы исследования металлургических процессов. — М.: Металлургия, 1988. 511 с.

40. Захарченко В.Н. Коллоидная химия: Учеб. для медико-биолог. спец. вузов. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. Шк., 1989. - 238 е., ил.

41. Глазов В.М., Павлова Л.М. Химическая термодинамика и фазовые равновесия. М.: Металлургия, 1988. — 558 е., ил.

42. Сульман Э.М., Семагина Н.В., Матвеева В.Г. Влияние поверхностных характеристик участников реакции на скорость селективного каталитического гидрирования// Вестник ТГТУ. №1 (1), 2002, с. 28-31.

43. Вигдорович B.H., Вольпян А.Е., Курдюмов Г.М. Направленная кристаллизация и физико-химический анализ. -М.: Химия, 1976. 200 с.

44. А. Драго, Физические методы в химии. В 2-х т. М.: Мир, 1981. - 422 е., 456 с.

45. Плесков Ю.В., Филипповский Ю.В. Вращающийся дисковый электрод. — М.: Наука, 1972.-340 с.

46. Лабораторные работы и задачи по коллоидной химии / Под ред. Ю.Г. Фролова и А.С. Гродского. М.: Химия, 1986. - 216 с.

47. Мордасов М. М., Мищенко С. В., Мордасов Д. М. Физические основы измерения плотности и поверхностного натяжения пневматическими методами: Учеб. пособие. Тамбов: Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 1999. — 76 с.

48. Физические основы измерений: Метод, указ. / Сост. Д.М. Мордасов, М.М.I

49. Мордасов. Тамбов: Изд-во Тамб. гос. ун-та., 2002, - 32 с.

50. Русанов А. И., Прохоров В. А. Межфазная тензиометрия.— СПб: Химия, 1994. 400 с.

51. Соболева О.А. Влияние рН, добавок карбамида и бромида натрия на гистерезис смачивания в системе водный раствор цетилтриметиламмоний бромида - стекло. // Жур. Вестн. Моск. Ун-та. сер.2. Химия. Т. 40, № 4, 1999. -с. 267 - 269.

52. Дерягин Б.В., Карасев В.В. Изучение граничной вязкости органических веществ по кинетике утоньшения их смачивающих слоев в процессе сдувания. // Доклады АН СССР, т. 101, № 2, 1955. с. 289 - 292.

53. Блинов В.И., Худяков Г.Н., Петров И.И., Реутт В.Ч. О движении жидкости в резервуаре при перемещении ее струей воздуха // Инж.-физ. журнал, т. 1, №11, 1958. с. 6 - 13.

54. Карасев В.В., Дерягин Б.В. Измерения граничной вязкости по кинетике утоньшения смачивающих пленок жидкостей в процессе сдувания // ЖФХ, т. 33, вып. 1, 1959. с. 100 - 106.

55. Дерягин Б.В., Чураев Н.В. Новые свойства жидкостей. Сверхплотная вода. -М.: Наука, 1971. 176 с.

56. Базарон У.Б., Булгадаев А.В., Дерягин Б.В. Измерение сдвиговой упругости жидкостей и их граничных слоев резонансным методом. // ЖТФ, Т. 51, Вып. 4(10), 1966. с. 969-982.

57. Дерягин Б.В., Зорин З.М. Оптическое исследование адсорбции и поверхностной конденсации паров вблизи насыщения. // Доклады АН СССР, т. 98, № 1,1954.-е. 93-96.

58. Мецик М.С., Айданова О.С. Исследования в области поверхностных сил. // Сб. докладов на 2-й Всесоюзной конференции по поверхностным явлениям, ИФХ АН СССР, 1964.

59. Дерягин Б.В., Нерпин С.В., Арутюнян М.А. О механокалорическом эффекте при обычных температурах. // Доклады АН СССР, т. 160, № 2, 1965. -с. 387-389.

60. Поповский Ю.М., Дерягин Б.В. Теплоемкость жидкости в дисперсных системах. // Доклады АН СССР, т. 159, № 4,1964. с. 897 - 899.

61. Федякин Н.Н. О температурном расширении воды в макрокапиллярах. // Доклады АН СССР, т. 138, № 6,1961. с. 1389- 1391.

62. Дерягин Б.В. Определение структурной характеристики и удельной поверхности пористого тела по изотерме десорбции // ЖФХ, т. 31, вып. 2, 1957. -с. 516-518.

63. Мезон У. Пьезоэлектрические кристаллы и их применение в ультраакустике, ИИЛ, 1952.

64. Мандельштам Л.И. Собр.соч., т. 4. Л.: АН СССР, 1955. - с. 217-218.

65. Хайкин С.Э., Лисовский Л.П., Саломонович А.Е. О силах «сухого трения». // Доклады АН СССР, т. 24, № 2, 1939. с. 134 - 138.

66. Сабсай О.Ю., Дубинский М.Б., Барштейн Г.Р. Условия перехода к нерегулярному режиму течения расплавов термопластов // Пластические массы, № 9, 1991. с. 40 - 41.

67. Сухарев Ю.И., Лужнова О.В., Крупнова Т.Г., Васильева А.В. Эффект сильного влияния малых воздействий на свойства неравновесной гелевой системы оксигидрата ниобия // Известия Челябинского научного центра. Вып. 3 (16), 2002.-с. 98-101

68. Нуген Х.Л., Сагитов Р.Ф., Полищук В.Ю. Моделирование течения материала высокой вязкости для исследования его свойств при больших скоростях сдвига. // Вестник ОГУ, № 4, 2004. с. 142 - 145.

69. Кадышева С.С., Волков В.И. Экспериментальное исследование напряжения сдвига у некоторых жидкостей // Вестник Уральской Медицинской академической науки, № 1, 2005. — с. 46 48.

70. Лескова С.С., Волков В.И. Исследование модуля сдвиговой упругости на границе раздела диэлектрик-жидкость // Вестник Уральской Медицинской Академической Науки, Екатеринбург, № 3, 2005. с. 68-70.

71. Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика: Учеб. для мед. спец. вузов. 3-е изд. испр. М.: Высш. школа, 1999. - 616 с.

72. Гатчек Э. Вязкость жидкостей / Пер. с англ. М.П. Воларовича, Д.Н. Толстого. М., 1932.-215 с.

73. Нерпина Н.С. Течение полярных жидкостей с водородными связями через капилляры с лиофильными стенками. М: Наука, 1974. - с. 76-79.

74. Полубаринова-Кочина П.Я. Теория движения грунтовых вод. Изд. 2-е. -М.: Наука, 1977.-664 с.

75. Сумм Б.Д., Горюнов Ю.В. Физико-химические основы смачивания и растекания. М.: Химия, 1976. - 324 с.

76. Дерягин Б.В., Чураев Н.В., Муллер В.М. Поверхностные силы. М.: Наука, 1985.-398 с. •

77. Штеренлихт Д.В. Гидравлика, М.: Энергоатомиздат, 1984. - 640( с.- 11486. Левич В.Г. Физико-химическая гидродинамика. М.: Издательство академии наук, 1952. — 538 с.

78. Волков В.И., Козлов Д.Ю., Кирколуп Е.Р. Исследование затекания жидкости в тонкие капилляры при малых числах Вебера // Журнал технической физики, т. 77, Вып. 7, 2007. с. 24-27.

79. Волков В.И., Козлов Д.Ю., Кирколуп Е.Р. Динамика капиллярного натекания // Известия вузов. Физика, №5. — Томск, 2007. — с. 69-72.

80. Волков, В.И. Исследование динамики движения жидкости по капилляру / В.И. Волков, Д.Ю. Козлов, Е.Р. Кирколуп // Известия АТУ, № 1 (53), Барнаул: изд-во АлтГУ, 2007. - с. 100 - 104.

81. Лескова С.С. Диагностика свойств жидкости на границах раздела гетерогенных сред: Автореф. дис. к-та ф.-м. наук. — Барнаул, 2006. 20 с.

82. В. 3. Канчукоев, Б. С. Карамурзов, В. А. Созаев, В. В. , Чернов. Определение начальной скорости и продолжительности движения жидкости в капиллярах. // ИФЖ, Том 76, № 1. Минск, 2003. - с. 42^16.

83. Волков В.И., Козлов Д.Ю., Кирколуп Е.Р. Способ измерения относительной вязкости биологической жидкости. Пол. решение о выдаче пат. Форма №01 ИЗ-2008 от 02.04.2008 №2006135687

84. Волков В.И., Кирколуп Е.Р. Устройство для определения относительной вязкости биологических жидкостей. Пат. RU №2319134 С2 Бюл. №7 10.03.2008.

85. Ghiradella Н., Radigan W., Frish И. L. // 1975, J. Colloid and Interface Sci. V. 51, P. 522.

86. Волков, В.И. Экспериментальное исследование гистерезиса смачивания с помощью плоского капилляра / В.И. Волков, С.С. Лескова, Е.Р. Кирколуп // Вестник Уральской Медицинской Академической Науки, № 2 (12). — Екатеринбург, 2006. с.48-50.

87. Волков, В.И. Экспериментальное исследование гистерезиса смачивания / В.И. Волков, С.С. Лескова, Е.Р. Кирколуп // Известия АГУ, № 1 (49). Барнаул: изд-во АлтГУ, 2006. - с. 106 - 111.

88. Веселовский B.C., Перцов В.Н. Прилипание пузырьков к твердым поверхностям. // Журнал физической химии, т. 8, вып. 2, 1936. с. 245-259.

89. Дурново С.К. Стекло для лабораторных изделий и химической аппаратуры. М., «Наука», 1965. - 107 с.I

90. Зимин B.C. Стеклодувное дело и стеклянная аппаратура для физико-химического эксперимента. М., Химия, 1974. - 328 с.

91. Физические величины: Справочник / Под ред. И.С. Григорьева, Е.З. Мейлихова. -М.: Энергоатомиздат, 1991.-е. 332.

92. Волков, В.И. Экспериментальное исследование краевых углов натекания в горизонтальных коробах / В.И. Волков, Е.Р. Кирколуп // Известия Алт. гос. унив. 2008. - №3 (55). - с. 50-56.

93. Рабинович В.А., Хавин З.Я. Краткий химический справочник: Справ. изд./Под ред. А.А. Потехина и А.И. Ефимова. 4-е изд. — СПб: Химия, 1994. — с. 254.

94. Гинзбург B.JL, Левин Л.М., Сивухин Д.В., Яковлев И.А. Сборник задач по общему курсу физики. Термодинамика и молекулярная физика. М., 1976. -с. 183.