Эффекты тепломассопереноса при локальном нагреве межфазной поверхности жидкость-газ тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ



На правах рукописи

ФЕДОРЕЦ Александр Анатольевич

ЭФФЕКТЫ ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОСА ПРИ ЛОКАЛЬНОМ НАГРЕВЕ МЕЖФАЗНОЙ ПОВЕРХНОСТИ ЖИДКОСТЬ-ГАЗ

01.04.14 - Теплофизика и теоретическая теплотехника

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Тюмень-2011

г 2 СЕН 2011

4853341

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Тюменский государственный университет».

Научный консультант доктор физико-математических наук, профессор

КИСЛИЦЫН Анатолий Александрович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор

БОРЗЫХ Владимир Эрнестович

доктор технических наук, профессор ВАКУ ЛИН Александр Анатольевич

доктор физико-математических наук, профессор ПУТИН Геннадий Федорович

Ведущая организация Институт теплофизики им. С. С. Кутателадзе

Сибирского отделения РАН, г. Новосибирск

Защита состоится « 1 г. в час. № мин. на заседании дис-

сертационного совета Д 212.274.10 4 Тюменском государственном университете по адресу: 625003, г. Тюмень, ул. Перекопская 15а, ауд. /лЛ?

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тюменского государственного университета.

Автореферат разослан «» ССИШ йЛг 011 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета, кандидат физико-математических наук

А. С. Матаев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Закономерности процессов тепломассопереноса в истемах с межфазной поверхностью жидкость-газ представляют интерес для шрокого круга фундаментальных и прикладных задач из разных областей ауки и техники. Как правило, в этих задачах имеют место эффекты Маранго-и, в частности, термокапиллярные течения, являющиеся одним из основных бъектов диссертационного исследования. В наземных условиях роль термо-апиллярных течений в процессах тепломассопереноса может быть второсте-енной - в случае макромасштабных систем, или доминирующей - если речь дет о каплях, пузырьках, жидких пленках, мостиках, менисках смачивания.

Термокапиллярный эффект оказывает существенное влияние на производ-твенные процессы лазерной резки и легирования металлов, нанесения защит-ых покрытий, выращивания кристаллов, получения сверхчистых материалов. Наблюдающаяся активизация исследований эффектов Марангони, связана, режде всего, с исследованиями и разработками в области микрофлюидики -[еждисциплинарного научно-технического направления, имеющего ключевое начение для развития таких высокотехнологичных устройств, как топливные лементы, тепловые трубки, биологические сенсоры, лаборатории на чипе и р. К объектам микрофлюидики также относится «Капельный кластер» - новая диссипативная структура, впервые описанная автором данной работы1.

Появление технологий, позволяющих создавать сложные автоматизированные измерительные комплексы, привело к тому, что метрологические характеристики некоторых типов приборов, приближаются к своему теоретическому пределу. С другой стороны, прогресс практически не затрагивает отдельные сферы производства, поскольку на пути внедрения даже самых современных приборов, основанных на классических методах анализа жидкостей, непреодолимыми препятствиями становятся высокая стоимость оборудования и расходных материалов, жесткие требования к уровню квалификации персонала, узкая специализация приборов. Поэтому, не утрачивает актуальности задача расширения круга эффектов, используемых в качестве физической основы принципиально новых методов измерения.

Цель работы - разработка физических принципов, создание технологий и приборов на основе эффектов и явлений тепломассопереноса, протекающих при локальном нагреве межфазной поверхности жидкость-газ.

Задачами исследования являлись:

1. Развитие экспериментальных методов исследования процессов тепломассопереноса в микромасштабных жидких объектах;

' 1 Федорец А.А. Капельный кластер // Письма в ЖЭТФ. - 2004. - № 8. - С. 457^59.

2. Разработка и экспериментальное обоснование метода анализа жидко стей, основанного на термокапиллярном эффекте;

3. Создание прибора, реализующего новый метод;

4. Разработка экспресс-методик производственного контроля показателе качества сырьевых и технологических жидкостей;

5. Комплексное исследование и создание физико-математической модел открытого автором явления - диссипативной структуры «Капельный кластер»

6. Поиск практических приложений нового явления.

Научная новизна заключается в следующем:

1. Предложена и экспериментально обоснована концепция фотеконскопии2 метода исследования жидкостей, основанного на эффекте динамической де формации межфазной поверхности жидкость-газ термокапиллярными тече ниями, в котором источником информации о составе, теплофизических, реоло гических и других свойствах жидкости является фотеконограмма - эволюци онная зависимость термокапиллярного отклика3.

2. Разработан комплекс методик исследования термокапиллярного эффек та, индуцируемого локализованным тепловым источником в тонком горизон тальном слое жидкости, позволяющих получать эволюционные зависимост параметров термокапиллярного углубления и отклика на всех стадиях разви тия и релаксации течений.

3. Впервые осуществлена приборная реализация метода фотеконскопии создан многоцелевой анализатор жидкостей, пакет компьютерных программ управляющих процессами измерения, обработки и хранения эксперименталь ных данных, а также ряд специализированных методик мультипараметриче ского производственного контроля показателей качества сырьевых и техноло гических жидкостей.

4. Описано новое явление - диссипативная структура «Капельный кла стер» - стабильная гексагональная структура из микрокапель конденсат (диаметром 15... 150 мкм), располагающихся над локально нагретой поверхно стью испаряющейся жидкости на расстоянии сопоставимом с диаметром ка пель. Создана экспериментальная установка и разработаны методики исследо вания капельных кластеров.

5. Изучены процессы тепломассопереноса и физические механизмы заро ждения и устойчивого существования капельного кластера. Объяснены сопут ствующие эффекты образования капельных тандемов, «спонтанной» коалес

2 Концепция метода сформировалась в процессе обобщения опыта исследований эффекта ФОтоиндуцированной ТЕрмокапиллярной КОНвекции.

3 Термокапиллярный (ТК) отклик - изображение, получаемое при проецировани на экран лазерного пучка, отраженного от жидкой поверхности, локально деформированной термокапиллярными течениями.

ценции капель кластера, охлаждения жидкой поверхности под капельным кластером. Предложена физико-математическая модель явления.

6. На основе диссипативной структуры «Капельный кластер» предложены принципиально новые методы микродозирования жидкостей, контроля концентрации аэрозольных частиц в воздухе, визуализации микромасштабных течений вблизи межфазной поверхности жидкость-газ.

Положения, выносимые на защиту:

1. Результаты экспериментальных исследований фотоиндуцированного термокапиллярного эффекта в тонком горизонтальном слое жидкости;

2. Концепция фотеконскопии - метода исследования жидкостей, в котором используется эффект динамической деформации межфазной поверхности жидкость-газ термокапиллярными течениями, индуцируемыми тепловыми импульсами, а источником информации служит термокапиллярный отклик;

3. Результаты исследований и конструкторских разработок, связанные с приборной реализацией фотеконскопии;

4. Приоритет открытия диссипативной структуры «Капельный кластер»;

5. Результаты исследований процессов и эффектов тепломассопереноса, обеспечивающих зарождение и устойчивое существование диссипативной структуры «Капельный кластер»;

6. Физико-математическая модель капельного кластера;

7. Практические приложения на основе нового явления - методы микродозирования жидкостей, контроля концентрации аэрозольных частиц в воздухе, визуализации микромасштабных течений жидкости и газа вблизи межфазной поверхности.

Достоверность полученных результатов обеспечивается корректностью постановки задач исследования, применением современного высокоточного научно-измерительного оборудования, хорошей воспроизводимостью экспериментальных результатов и соответствием полученных данных общепризнанным физическим представлениям о процессах тепломассопереноса в системах с развитой межфазной поверхностью жидкость-газ.

Практическое значение. В рамках диссертационной работы создана концепция принципиально нового метода исследования жидкостей - фотеконскопии. Данный метод реализован в многоцелевом анализаторе жидкостей «Фо-текон-02», технико-эксплуатационные характеристики которого подтвердили перспективность новой технологии для решения широкого спектра задач производственного контроля свойств сырьевых и технологических жидкостей. Диссипативная структура «Капельный кластер» является основой запатентованных методов микродозирования жидкостей, контроля концентрации аэрозольных частиц в воздухе, визуализации течений на межфазной поверхности жидкость-газ. Необычные свойства и доступность оборудования, используе-

мого для наблюдения явления, делают капельный кластер перспективным тес товым объектом для компьютерных программ, моделирующих процессы теп ломассопереноса в задачах микромасштабной гидрогазодинамики.

В 2007 г. многоцелевой анализатор жидкостей «Фотекон-02» успешш прошел государственную сертификацию (Сертификат соответствия № РОСС RU.AH25.B00174).

Приборы серии «Фотекон» отмечены золотыми медалями выставок «Ин вестпроектэкспо 2006» (Екатеринбург, 2006) и VII Московского международ ного салона инноваций и инвестиций (Москва, ВВЦ, 2007). В 2009 г. нова) технология признана лучшей инновационной разработкой в Уральском феде ральном округе в рамках II Всероссийского молодежного инновационноп конвента.

Основные результаты работы вошли в научно технические отчеты п< грантам РФФИ (№№ 01-01-652-а, 04-02-26670-э), по программе «Старт» Фон да содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфер* (ГК № 4171р/6566), ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры иннова ционной России» (ГК №№ 14.710.11.0299,14.740.11.0641) и др.

Апробация работы. Результаты работы представлялись автором на: Меж дународной конференции «Передовые технологии на пороге XXI века» (Моек ва, 1998), Международной конференции «Коллоидная химия и физико химическая механика» (Москва, 1998), V Международной конференции «Фи зика в системе современного образования» (Санкт-Петербург, 1999), III Меж дународном аэрокосмическом конгрессе IAC2000 (Москва, 2000), Firs Conférence of the International Marangoni Association (Giessen, Germany, 2001), IX Межотраслевом научном и методическом семинаре «Теплофизика, гидрогазодинамика, теплотехника» (Тюмень, 2002), 16-ой Европейской конференции по химии межфазных поверхностей (Владимир, 2003), II Всероссийской конференции по космическому материаловедению (Калуга, 2003), Международной конференции «Современные проблемы тепловой конвекции» (Пермь, 2003), International Marangoni Association Congress (Brussels, Belgium, 2004), Всероссийской выставке научно-технического творчества молодежи НТТМ-2005 (Москва, ВВЦ, 2005), Международной конференции «Модернизация образования в условиях глобализации» (Тюмень, 2005), III Евро-Азиатском форуме инвестиций и инноваций «Инвестпроектэкспо 2006» (Екатеринбург, 2006), VII Московском международном салоне инноваций и инвестиций (Москва, ВВЦ, 2007), Международной выставке «Интерполитех-2007» (Москва, ВВЦ, 2007), III Всероссийской конференции с участием зарубежных ученых «Задачи со свободными границами: теория, эксперимент и приложения» (Бийск, 2008), II Всероссийском молодежном инновационном конвенте (Санкт-Петербург, 2009), Всероссийской конференции «XXIX Сибирский теп-лофизический семинар» (Новосибирск, 2010).

Доклады по материалам диссертации были представлены на: научных семинарах физического факультета Тюменского государственного университета (председатель - академик Р.И. Нигматулин, Тюмень, 2009-2010 г.г.); научном семинаре Института криосферы Земли СО РАН (председатель - академик П.И. Мельников, Тюмень, 2010 г.); Городском гидродинамическом семинаре им. Г.З. Гершуни и Е.М. Жуховицкого (председатель - д.ф.-м.н. Д.В. Любимов, Пермь, 2010 г.); научном семинаре «Прикладная гидродинамика» Института гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО РАН (председатель -чл.-корр. РАН В.В. Пухначев, Новосибирск, 2010 г.); научном семинаре Института теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН (председатель - чл.-корр. РАН C.B. Алексеенко, Новосибирск, 2010 г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано свыше 60 печатных работ, в том числе 13 статей в центральных российских журналах из списка ВАК, 1 монография, 21 патент РФ на изобретения.

Личный вклад автора заключается в постановке целей и задач исследования, выборе методов их решения, выполнении основной части экспериментов, анализе их результатов, руководстве инженерно-конструкторскими разработками при создании приборов, реализующих метод фотеконскопии.

Благодарности. Автор выражает благодарность доценту, к.ф.-м.н. Б.А. Безуглому, сыгравшему важную роль при выборе направления исследования, также автор признателен академику Р.И. Нигматулину, профессорам А.Б. Шабарову, A.A. Кислицыну, Э.А. Аринштейну за полезные обсуждения результатов исследований, конструктивную критику и ценные советы.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав основного содержания, заключения, списка литературы и приложений. Содержит 267 страниц, 135 рисунков, 11 таблиц и 217 библиографических ссылок.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дается обоснование актуальности тематики диссертационного исследования, ставится цель, и формулируются основные задачи, отмечается его научная новизна и практическая значимость, приводится перечень решенных в диссертации и выносимых на защиту положений.

Первая глава содержит литературный обзор работ по тематике диссертации. В ней рассмотрены типы конвективных течений, роль поверхностного натяжения и вопросы устойчивости жидкого слоя. Отдельное внимание уделено экспериментальным работам по фотоиндуцированному термокапиллярному эффекту, в частности, методам регистрации температурных полей и структуры термокапиллярного вихря, геометрии и оптическим свойства ТК углубления.

Схематично система «пучок/слой/подложка» показана нг рис. 1. Здесь: 1 падающий лазерный пучок, 2 слой жидко -сти, 3 подложка, 4 тепловой источник, 5 ТК углубление= 6 отраженный пучок, 7 экран, 8 ТК отклик. Введены еле! дующие обозначения геометрических характеристик системы, а также ТК углубления и отклика: йь - диаметр ла зерного пучка, /г0 - толщина слоя жидкости, 5 - расстояний от слоя до экрана; 0 - угол расходимости отраженного пучка, £ - глубина ТК деформации, г; - расстояние от осе ТК углубления до точек поверхности, в которых изменяет1 ся знак локальной кривизны поверхности. Множество эти: точек образует линию перегиба, на которой уклон <р , по ШШШШШШШ верхности ТК углубления максимален и определяет расход

Рис. 1. Геометрия димосхь отраженного пучка и диаметр ТК отклика. !

систсмы.

Во второй главе диссертации представлены результаты эксперименталь ных исследований термокапиллярного эффекта, индуцируемого в тонком го ризонтальном слое жидкости пространственно локализованными тепловыми импульсами.

Схема экспериментальной установки показана на рис. 2. В отличие от ранних работ, в которых ТК эффект изучался преимущественно на стадии

Рис. 2. Схема экспериментальной установки: 1 индуцирующий лазер (Не-Ые, А = 0.633 мкм, Р = 20

мвт), 2 электромеханический затвор, 3 магазин светофильтров, 4 светоделительная пластинка, 5 детектор измерителя мощности ИМО-2, 6 шкаф с теплоизолированными стенками, 7 дюралевая трубка, 8,14,15,17,18 зеркала, 9 кювета с жидкостью, 10 термодатчик, 11 эбонитовая платформа, 12 микрометрический треножник, 13 зондирующий лазер (Не-Ые, \ - 0.633 мкм, Р = 0.4 мвт), 16 оптическое окно, 19 экран, 20 секундомер, 21 индикатор термодатчика, 22 видеокамера, 23 усилитель сигнала фотодиода, 24 аналогово-цифровой преобразователь, 25 компьютер.

]

V

ртационарного режима течении, данная установка адаптирована для исследования процессов при импульсном воздействии на слой. Особенностями установки являются:

• Два независимых источника излучения, которые позволили регистрировать ТК отклик после выключения индуцирующего пучка, т.е. на стадии релаксации термокапиллярного углубления;

• Электромеханический затвор, обеспечивший возможность получения прямоугольных импульсов заданной длительности из непрерывного пучка Не-№ лазера;

• Специальная конструкция кюветы и платформы, рис. 3, адаптированная _ под фотоабсорбционный метод измерения глубины ТК деформации слоя;

• Схема проецирования зондирующего пучка, позволяющая получать на родном экране два синхронизированных изображения ТК отклика в разных селениях пучка.

Более детально конструкция кюветы и платформы показаны на рис. 3.

^Эбонитовая платформа 1 имеет канал, в ц:—- при-- г—=7|1~гг~гтТ котором установлен фотодиод 2. Слой , ^

исследуемой жидкости 3 наливается в V 7 6 5 43^ кювету 4. В опытах с окрашенной жидкостью оптическое окно 5 в дне кюветы позволяет измерять фотоабсорбци-

Iонным методом глубину ТК деформа- ] 7

ции слоя. В случае прозрачной жидко- р ?

сти используются накладки 8 из свето-

поглощающих материалов. В эбонитовом кольце 6 сделаны четыре отверстия, в которые вставляются иглы 7, используемые для выставления толщины слоя, по создаваемой иглами статической деформации жидкой поверхности. Цен-_ трирующий выступ платформы позволяет извлекать кювету и возвращать ее в рабочее положение, не нарушая юстировки оптической схемы установки.

Влияние на ТК углубление и отклик способа индуцирования теплового ис--точника (прозрачный или поглощающий излучение слой жидкости); теплофи-зических свойств подложки; длительности и энергии тепловых импульсов изучалось на примере бензилового спирта, который прозрачен для излучения Не-Ые лазера, а также бензилового спирта, окрашенного красителем «нильский синий» (два раствора с показателями поглощения а063 мкм = 45.8 и 22.9 мм"1). , Применялись подложки из эбонита - органического материала с теплофизиче-I скими характеристиками, достаточно близкими к свойствам бензилового спирта, а также из стекла - материала, с примерно на порядок более высокой теплопроводностью.

Г ЦП

Г - |

\ \ |\

Для измерения параметров ТК углубления в динамике были разработан^ два взаимодополняющих метода: г"

• Глубина £ ТК деформации (см. рис. 1) измерялась по изменению интен„ сивности света, проникающего через слой жидкости (фотоабсорбционный ме тод);

• Радиус г, окружности перегиба и максимальный угол наклона поверхно сти ТК углубления <р, рассчитывались по углу в расходимости пучка отклика определяемому по двум изображениям ТК отклика в разных сечениях пучка.

В традиционной схеме эксперимента один и тот же лазерный пучок инду цирует конвекцию и используется для регистрации ТК отклика, что може; приводить к потере информации о периферийных участках углубления, внос элемент неопределенности в результаты измерений. Диаметр ТК отклика оп ределяется лучами, отразившимися от кольцевого участка поверхности радиу сом г„ на котором угол касательной к поверхности достигает максимума, рис 4а. При увеличении диаметра зондирующего пучка диаметр ТК отклику меняется лишь до тех пор, пока выполняется условие с1Ь5 < 2Учитывая, чт область ТК деформации слоя может в несколько раз превышать площадь нагревателя, в опытах использовался зондирующий пучок, диаметр которого ^ плоскости слоя в три раза превышал диаметр йы индуцирующего пучка.

В работе изучено влияние на ТК отклик клиновидности жидкого слоя прр негоризонтальном положении подложки, рис. 46. Здесь: 1 индуцирующий ла зерный пучок, 2 слой жидкости, 3 подложка.

Рис. 4. Влияние на ТК отклик: (а) диаметра лазерного пучка; (б) уклона подложки.

Установлено, что при уклоне подложки в пределах одного градуса ТК от-1 клик, может быть охарактеризован взаимно перпендикулярными «диаметра-1

ми», один из которых - /Л определяется локальной толщиной слоя на оси пучка, второй - Г)а, также зависит от уклона подложки. Эффект потемнения одного из краев ТК отклика, рис. 46, позволяет обнаруживать отклонения подложки от горизонтали на уровне сотых долей градуса, но наблюдается лишь с ТК откликом от индуцирующего лазерного пучка4. Механизм эффекта поясняет рис. 46: возрастающее сопротивление придонному притоку жидкости в направлении утончения слоя компенсируется повышением капиллярного давления из-за локального уменьшения радиуса кривизны углубления, при этом, Пиния перегиба смещается на периферию пучка.

Зависимость диаметра ТК отклика от мощности индуцирующего пучка на - стадии установившихся течений описана в ряде работ. Поведение ТК отклика При импульсном воздействии исследовалось впервые. Опыты проводились со ,слоями прозрачной жидкости (бензиловый спирт марки ХЧ) на поглощающей излучение эбонитовой подложке. Одиночные импульсы заданной длительности формировались с помощью электромеханического затвора из непрерывного пучка Не-Ке лазера. Суммарная энергия IV, поглощаемая подложкой, изменялась за счет варьирования мощности Р индуцирующего пучка и длительности ти импульса.

Типичный график эволюционных зависимостей ТК отклика в случае импульсного воздействия на слой приведен на рис. 5а. Обнаружено, что ход эволюционной зависимости в целом и максимально достигаемый диаметр ТК от-,клика Отах зависят не столько от суммарной тепловой энергии, выделяющейся за время облучения, сколько от мощности пучка: при одинаковых значениях IV относительно короткие и мощные импульсы порождают более интенсивные ¡течения, рис. 56.

'Рис. 5. (я) Эволюция ТК отклика при воздействии на слой одиночного импульса длительно-_,стьго гн = 3.2 с. Кривые 1, 2 и 3 ^соответствуют энергии импульса 35, 26 и 21 мДж; (б) Влияние ¡длительности и энергии лазерного импульса на максимальный диаметр отклика. Бензиловый 'спирт, зачерненные маркеры -йо = 450 мкм, светлые - И0 = 500 мкм. Маркеры 1, 2, 3 и 4 'соответствуют тн = 0.7, 1.2, 2.2 и 3.2 с.

О. мм 50 г

Дтд. ММ

50 г

'о

/

в

0

^ ' 1 1 1 '■ ' о ............. .1 .......

о 2 4 6 8 л о 0 10 20 30 Г. мДж

4 При использовании широкого зондирующего пучка эффект потемнения не наблюдается и происходит лишь характерное искажение формы ТК отклика.

В общей сложности были проведены десятки экспериментов, в ходе кото1 рых варьировались параметры зондирующего пучка, толщина слоя жидкости, энергетические и геометрические характеристики теплового источника, инду= пирующего термокапиллярные течения. Примеры типичных эволюционный зависимостей параметров ТК углубления и отклика приведены на рис. Обобщение полученных экспериментальных данных позволило сделать ря; выводов, касающихся концепции фотеконскопии и приборной реализации но' вого метода:

1. С точки зрения использования ТК отклика в качестве источника информации о свойствах жидкости, способ нагрева тепловым действием света, имее принципиальный недостаток - ярко выраженную зависимость энергетически! и геометрических параметров индуцируемого источника тепла от коэффици| ента поглощения излучения жидкости. Это осложняет техническую реализа, цию базового принципа - проведение измерений в воспроизводимых, с троге контролируемых условиях.

2. Влияние свойств жидкости проявляется на всех участках эволюционной зависимости ТК отклика, что позволяет использовать короткие тепловые им пульсы.

(б)

.-1

.-2 .-3

* *

О 20 40 60 80 100 г, с

8 (*с 0

4 и с

Рис. 6. Примеры эволюционных зависимостей, (а) Развитие ТК деформации с момента начала облучения слоя. Окрашенный бензиловый спирт, а0.бз мкм — 22.9 мм"'. Черные маркеры - йо = 230 мкм, серые - 280 мкм. Зависимости 1, 2 и 3 соответствуют интенсивности пучка 1„ = 2.4,2.1 и 1.7 мВт/мм2; (б) Развитие и релаксация ТК отклика. Слой бензилового спирта на эбонитовой

подложке, И0= 380 мкм, 1, 2 и 3 соответствуют /„ = 2.4, 0.9 и 0.4 мВт/мм2. Г

3. Приборная реализация фотеконскопии требует поиска эффективных ре ,

шений ряда проблем научного, технического и методического характера, а числе которых:

а) Герметизация и термостатирование образца жидкости;

б) Защита прибора от воздействий химически агрессивных компонентов анализируемых жидкостей;

в) Высокоточный контроль толщины слоя анализируемой жидкости;

Г

1 г) Жесткие требования к уровню воспроизводимости временных и энергетических параметров тепловых импульсов;

д) Комплекс проблем в области автоматизации и компьютеризации процесса регистрации зависимостей ТК отклика, хранения и обработки экспериментальных данных.

В третьей главе диссертации представлены результаты научных исследований и опытных конструкторских разработок, связанные с развитием концепции и приборной реализацией фотеконскопии - принципиально нового метода экспресс-идентификации и анализа жидкостей.

, Принцип измерений методом фотеконскопии состоит в том, что на иссле-- Дуемый образец (в виде тонкого горизонтального слоя жидкости со свободной ¡поверхностью) оказывается воздействие тепловыми импульсами от нагревателя на дне слоя. Под действием импульсов развиваются нестационарные термокапиллярные течения, которые вызывают динамическую деформацию свободной поверхности слоя. Основным источником информации о жидкости служит фотеконограмма - зависимость, описывающая изменения диаметра ТК отклика во времени.

На рис. 7 приведен пример фо-теконограммы и схематично показан ход лучей, отраженных от жидкой поверхности (/- фокусное ¡расстояние ТК углубления, 5 -расстояние от жидкой поверхности до экрана). При всем разнообразии индивидуальных особенностей фотеконограмм, на любой зависимости прослеживаются три ¡последовательных стадии, рис. 7:

I. Лазерный пучок отражается от плоской, недеформированной ¡ТК течениями жидкой поверхно--сти;

II. Незначительная деформация поверхности, диаметр отклика определяют ,не скрещенные лучи (5 </);

III. Выраженное ТК углубление, диаметр отклика определяют скрещенные ¡лучи (5 >/).

Для многих, но не для всех жидкостей также характерен эффект «всплеска» - кратковременное увеличение диаметра ТК отклика (на рис. 7 соответствующий участок фотеконограммы обозначен II*). Этот эффект дает тороидальный валик, образующийся на начальной стадии развития течений.

Комплекс параметров теплового воздействия на образец: число импульсов^ их мощность Рн и длительность тн, а также, продолжительность пауз, раме ляющих импульсы, далее будет называться режимом воздействия. Очевидной что сравнение фотеконограмм является корректным лишь при условии, что они получены при одном и том же режиме воздействия.

В 2007 г. многоцелевой анализатор жидкостей «Фотекон-Б2», рис. 8, ус пешно прошел государственную сертификацию. На этом приборе проводило.: основной объем работ, связанных с совершенствованием процедуры измере; ний, отработкой методик идентификации и анализа показателей качества5 раз: личных классов жидкостей. Существование воспроизводимых и индивидуали зируемых фотеконограмм свидетельствует о принципиальной возможности расчета физических свойств жидкости по фотеконограмме, однако, решсни обратной задачи фотеконскопии, выходит за рамки данного диссертационногс исследования.

Рис. 8. (а) Анализатор жидкостей «Фотекон-02»: 1 и 2 - компьютерный и измерительный блоки,

3 - термостатируемая измерительная ячейка (дополнительно приведена фотография ячейки г в открытом положении); (б) Конструкция измерительной ячейки: 1 - кювета с образцом жидкости,~ 2 - нагреватель, 3 - теплопроводящий элемент, 4 - лазерный пучок, 5 - прижимная гайка, 6 - уплотнитель, 7 - покровное стекло.

5 Понятие «качество жидкости» трактуется, в контексте более общего определения, которое дается Российским энциклопедическим словарем: «Качество продукций - совокупность свойств (в том числе мера полезности) продукции, обуславливающих её способность удовлетворять определенные общественные и личные потребности».

Конструктивно анализатор состоит из компьютерного и измерительного блоков, выполненных в отдельных корпусах. Анализируемый образец жидкости объемом ~1 мл наливается в цилиндрическую кювету, изготовленную из химически инертного материала (фторопласт-4). В дне кюветы имеется тепло-проводящий элемент (Т-элемент) - стерженек из нержавеющей стали диаметром 1 и длиной 2 мм, рис. 86. Кювета устанавливается в измерительную ячейку прибора и, вращением прижимной гайки, зажимается между основанием измерительной ячейки и покровным стеклом. Кольцевой уплотнитель из силиконовой резины обеспечивает герметичность полости внутри кюветы. В качестве нагревателя используется миниатюрный элемент Пельтье, закрепленный на подпружиненном основании (таким образом, при фиксации кюветы в измерительной ячейке обеспечивается фиксированное прижимное усилие и хороший тепловой контакт нагревателя и Т-элемента). Термокапиллярная деформация жидкой поверхности индуцируется тепловыми импульсами от нагревателя, а считывается зондирующим лазерным пучком, мощность которого заведомо недостаточна для создания сколько-нибудь выраженного нагрева жидкости. Благодаря системе из датчиков температуры и нагревательных элементов, управляемых компьютером, массив металла измерительной ячейки выполняет роль твердотельного термостата.

Конструкция анализатора позволяет исследовать жидкости в стабильных, хорошо воспроизводимых условиях. Все элементы прибора, с которыми контактирует жидкость и ее пары, изготавливаются из материалов, отличающихся повышенной стойкостью к воздействию кислот, щелочей, органических растворителей. Это максимально расширяет спектр анализируемых жидкостей и сводит к минимуму вероятность выхода прибора из строя при анализе образцов неизвестного химического состава.

В анализаторах «Фотекон-02» реализован импульсный режим питания нагревателя с несущей частотой 1 кГц и фиксированным напряжением U,{. Из-за инертности, нагреватель сглаживает пульсации напряжения и генерирует практически постоянный тепловой поток, мощностью которого можно управлять изменением скважности импульсов. В этом случае максимальный тепловой поток (обозначим его мощность Рно) соответствует единичной скважности и при описании режима воздействия мощность Рн нагревателя удобно выражать в процентах от Рт-

На рис. 9-10 приведены экспериментальные результаты, полученные с использованием тепловизора Titanium 570М (спектральный диапазон 3.7^1.8 мкм, матрица 640x512 пике, размер пикселя 15 мкм, точность измерения Г± 1%, NETD < 25 мК).

На ИК изображении, рис. 9а, виден участок дна кюветы с «горячим» Т-элементом в центре, закрепленный на корпусе прибора ИК светодиод (инди-

катор моментов включения/выключения нагревателя), а также контуры термо стата и цилиндрической вставки (тепловизор существенно занижает темпера туру этих элементов, так как их металлические поверхности не зачернены),; Рис. 96 демонстрирует трансформацию распределения температуры Т-эле мента и прилегающих участков дна кюветы при подаче теплового импульс; (для корректного отображения температуры на дно кюветы нанесено светопо глощающее покрытие).

( п\

Рис. 9. (а) Вставка, используемая для регистрации поля температур: 1 корпус, 2 зеркало, 3 оптическое окно, 4 ИК диод; (б) Эволюция поля температур. Параметры импульса: Рц= 100 %, хн = 1 с. Под номерами 1, 2, 3, 4, 5 и 6 показаны распределения Т*(г) через 0.04, 0.96, 2.32, 4.7, 7.14, и 10 секунд с момента включения нагревателя.

Из данных, полученных с использованием тепловизора, следует: 1. Система термостатирования измерительной ячейки прибора, обеспечивает поддержание пространственной однородности температуры образца сг точностью ±0.05 К, в эти же пределы укладывается и временной дрейф темпе-1 ратуры;

Эволюционные кривые температуры на оси Т-элемента (с поправкой щ температуру Г0 термостатирования образца Тс =ТС- Г0), при разной мощност: Рн нагревателя показаны на рис. 10а. Зависимость Т*тах(Рн ), рис. 106, обоб щает данные рис. 10а.

Рис. 10. (я) Эволюционные зависимости температуры Тс при разной мощности нагревателя. Маркеры 1, 2, 3, 4, 5 и 6 соответствуют Рн = 0, 20, 40, 60, 80 и 100%. Длительность импульса 1 с; (б) Зависимость максимальной температуры на оси нагревателя от его мощности.

2. Локальное повышение температуры образца под действием тепловых импульсов не превышает нескольких Кельвинов, что сводит к минимуму вероятность необратимых изменений физико-химических свойств образца в процессе измерения;

3. Мощность тепловых импульсов, воздействующих на образец, прямо пропорциональна контролируемой с высокой точностью электрической мощности нагревателя;

4. Приборная задержка с момента подачи напряжения на нагреватель до начала повышения температуры торцевой поверхности Т-элемента составляет 0.3 ±0.04 с;

5. Характерное время релаксации теплового импульса после выключения нагревателя не превышает нескольких десятков секунд.

Эти данные подтверждают хорошие технические характеристики ключевых, с точки зрения метрологии, систем анализатора - системы термостатиро-вания образца и управления тепловыми импульсами.

Интенсивность ТК течений связана с такими сильно варьирующимися от жидкости к жидкости параметрами, как поверхностное натяжение и вязкость6, поэтому, не существует универсального режима воздействия. Одинаковые тепловые импульсы, в одной жидкости могут инициировать прорыв слоя, в другой - вызывать лишь слабовыраженную деформацию поверхности. И в том и в другом случае страдает информативность фотеконограмм. Диапазон изменения мощности и длительности тепловых импульсов, воспроизводимых прибором «Фотекон-02», рассчитан на получение информативных фотеконограмм широкого спектра сырьевых и технологических жидкостей (нефть, нефтепродукты, спирты, гликоли, деэмульгаторы и т.д.).

Вне зависимости от индивидуальных особенностей жидкости и решаемой задачи, существуют несколько общих - базовых условий, нарушение которых отражается на достоверности и воспроизводимости результатов измерений. К ним относятся:

1. Сравниваемые фотеконограммы должны быть получены для образцов при одинаковой температуре термостатирования;

2. Неконтролируемые вариации толщины слоя жидкости при заливке пробы в измерительную кювету должны быть минимизированы;

3. Перед запуском измерения, жидкость и газовая среда в кювете должны быть в состоянии близком к термодинамическому равновесию (отсутствие выраженных температурных градиентов, течений, активного испарения с поверхности слоя).

6 Например, при 20 °С вязкость октана и глицерина - наименее и наиболее вязких жидкостей, для которых были получены фотеконограммы, отличается более чем в 1000 раз.

Высокая чувствительность ТК отклика к толщине Л0 жидкого слоя явля лась серьезной проблемой, поскольку прямой контроль А0 с точностью до со тых долей мм сопряжен с существенным удорожанием приборной реализацш метода и усложнением процедуры измерений. Решение проблемы появилось 1 результате обобщения экспериментальных данных: вне зависимости от состав: жидкости фотеконограммы совпадают7 в нормированном на индивидуальны! значения /)тах виде, при условии, что вариации толщины слоя не превышаю-десятых долей мм, рис. 11а.

Рис. 11. (а) Пример фотеконо- Е х**"^ грамм до и после нормировки на индивидуальное, для каждой фотеконограммы, значение Дм,: 1 - октан, 2 - изо-пропанол, 3 - декан (в каждой паре ненормированных фоте-конограмм выше проходит зависимость при толщине слоя 1.05, ниже при 1.25+0.01 мм); (б) Зависимость диаметра от толщины слоя жидкости: 1 - октан, 2 - изопропанол, 3 - декан.

/(о, мм

Вариации толщины слоя при анализе жидкостей могут быть обусловлены двумя основными причинами: разбросом диаметра рабочей полости кювет и погрешностью дозирования жидкости. Исходя из параметров используемых кювет (рабочая полость диаметром 35 ±0.05 мм) и микродозаторов (Ленпипет Степпер, погрешность на уровне 5 %), при разных заливках жидкости в одну и ту же кювету погрешность /¡0 не должна превышать ±0.05 мм, а при использовании разных кювет ±0.06 мм.

О точности выставления А0, реализующейся в эксперименте, можно судить по графику зависимостей Д^ от толщины слоя, рис. 116 (зависимости нормированы на значения Дю« при минимальной, в рамках серии опытов, толщине слоя). Положение экспериментальных точек свидетельствует о том, что фактическая погрешность выставления толщины слоя составляет ±0.015 мм.

Из третьего базового условия следует, что после установки кюветы с пробой в термостат прибора первое измерение должно запускаться с определенной задержкой, а при записи серии фотеконограмм, между измерениями должен выдерживаться временной интервал т!ег, необходимый для релаксации последствий тепловых импульсов.

7 Неизбежное при нормировке на £>гаи расхождение начальных участков фотеконограмм не имеет большого значения в силу их малой информативности, рис. 7.

Увеличение продолжительности интервалов т5ег способствует более точному выполнению третьего условия, но замедляет процесс измерения. Поэтому на практике применялся следующий подход: при разработке процедуры измерения для нового класса жидкостей регистрировалась серия фотеконо-грамм с пошагово возрастающим тхег. Начиная с некоторого шага, более раннее измерение переставало влиять на последующее, и определенный таким способом временной интервал вносился в описание процедуры анализа для данного класса жидкостей. Для всех изученных жидкостей и режимов воздействий хорошая воспроизводимость фотеконограмм наблюдалась при длительности интервала между измерениями от двух до десяти минут.

Программное обеспечение анализатора позволяет регистрировать серии фотеконограмм в автоматическом режиме, для чего в специальном окне задается время задержки запуска, число измерений и интервал между ними.

Выбор методики измерений зависит от решаемых задач, которые целесообразно классифицировать по типу получаемой информации и характерным особенностям фотеконограмм анализируемых жидкостей (табл. 1).

Фотеконограммы типа «А» характерны для химически чистых жидкостей, а также смесей, не содержащих ПАВ. Стабильно-переменные фотеконограммы, как правило, наблюдаются, если жидкость содержит поверхностно-активные компоненты, постепенно адсорбирующиеся на свободной поверхности образца. Нестабильные фотеконограммы характерны для жидкостей, имеющих инородные включения - твердые частицы, капли других жидкостей и т.д., воздействие которых на ТК вихрь имеет случайный характер. Этот тип фотеконограмм чаще всего свидетельствуют о низком качестве жидкости, либо, о загрязненности образца.

Пример 1. Экспресс-идентификация образцов товарной нефти.

Нефть, в состав которой может входить несколько сотен различных органических и неорганических веществ, является одной из наиболее сложных для идентификации жидкостей. В рамках поставленных модельных экспериментов шесть образцов западносибирской товарной нефти из разных месторождений случайным образом распределялись по семи идентичным пронумерованным емкостям. Ставилась задача, определения двух емкостей, содержащих одну и ту же нефть. Параллельно с методом фотеконскопии образцы исследовались на газохроматографическом оборудовании методом имитированной дистилляции.

В основе стандартной процедуры идентификации лежит разностная кривая, рис. 12, получаемая при поточечном вычитании нормированных фотеконограмм:

ЛДш,(<.) = А,(М -АЛ), ЛДшСг) = ¿Ш -АЛ) (1)

где А(0 и Д„(/) диаметры ТК откликов в совпадающие моменты времени. Чем сильнее отличия, тем больше у разностной кривой амплитуда отклоне-

ний от нулевых значений. В качестве количественных характеристик введе» параметры:

Ш^ДГ^ср, П2 =|М)|тах. (2

Таблица 1

Классификация задач фотеконскопии

I. Экспресс-идентификация (подтверждение идентичности) образцов жидкостей, сложного или неизвестного химического состава методом сравнения фотеконо-грамм._

II. Мультипараметрический качественный экспресс-анализ жидкостей (установление принадлежности образца определенному классу жидкостей, с варьируемыми в некотором диапазоне физико-химическими свойствами).

III. Количественный анализ химического состава жидкости.

IV. Измерение физических свойств жидкости по фотеконограмме.

А. Стабильные (серия измерений с интервалом т1ег дает фотеко-нограммы, совпадающие в пределах погрешности измерений).

B. Стабильно-переменные (фотеконограмма в рамках серии измерений претерпевает однотипные, воспроизводимые от серии к серии трансформации)^

C. Нестабильные (последовательные измерения дают фоте-конограммы, подверженные неконтролируемым, случайным вариациям).

мин

Пороговые значения П1 и П2, превышение которых может свидетельствовать о неидентичности образцов, зависят от множества факторов, и прежде всего - от воспроизводимости фотеконограмм в условиях задачи.

В случае нефти, среднестатистические значения параметров П1 и П2 по результатам нескольких измерений с одним образцом, рис. 12с, составили: (П1)=0.52 %, (П2)=1.64 %, при этом, 95 % измерений удовлетворяли условию: Ш <0.75, П2 < 2.20. Эти значения будем рассматривать, как пороговые. Пример разностных кривых, полученных при сравнении фотеконограмм для разных образцов нефти, показан на рис. 126. Полный же набор значений параметров П1 и П2 приведен в табл. 2.

Рис. 12. Разностные кривые: а/) (а) Вариабельность фотеконо- % грамм в рамках серии измере- ;о ний с одним образцом нефти - ^ семь серий (по числу емкостей с образцами) по три измерения 0 в каждой; (б) Результат сравнения разных образцов нефти.

Таблица 2

Результаты сравнения фотеконограмм

№1 №2 •Ш №4 №5

№2 0.63 1,7(1

ЛЬЗ 1,91 16,60 1,57 17,46

Ло-1 "> тт 8,27 2,15 9,17 2.00 8.77

№5 3,93 22,30 3,94 22,16 4,68 32,5 3,89 25.30

№6 4,25 26,6 4.74 26,57 5,99 34,00 6,10 27,97 2.65 8.20

Л«7 3,93 23.50 3,92 23,37 4,64 32,63 3,59 25,8" 0,96 3,07 2,78 6,07

Как следует из таблицы, идентичными являются образцы №1 и №2 (параметры разностной кривой П1 = 0.63 и П2 = 1.70 ниже пороговых значений). Аналогичный вывод был сделан и на основании хроматографического исследования.

Пример 2. Контроль качества жидкостей для стеклоомывателей.

Методики мультипараметрического экспресс-контроля показателей качества жидкости эффективны в тех случаях, когда в рамках анализируемого класса состав жидкости регламентируется нормативными документами (ГОСТом, ТУ и т.п.). В силу близости состава, качественные жидкости имеют однотипные фотеконограммы, что позволяет устанавливать границы допустимой вариабельности фотеконограмм.

В качестве примера, рассмотрим результаты экспериментов с жидкостям] для стеклоомывателей, основными компонентами которых являются: вода спирт (понижает температуру замерзания), ПАВ, красители и ароматически добавки. При производстве таких жидкостей категорически запрещено ис пользовать метанол, в то же время, по оценкам экспертов, в отдельных рос сийских регионах доля на рынке контрафактных жидкостей на основе метано ла приближается к 50%.

В рамках исследования были получены фотеко нограммы девяти образцов жидкостей для стекло омывателей разных торговых марок, рис. 13. Парал лельно, методом газовой хроматографии определя лось содержание в жидкостях спиртов (разрешен ных - изопропанола и этанола и запрещенного ме танола) (табл. 3).

Сопоставление данных показывает, что запре щенные, содержащие метанол жидкости, могут вы являться по выраженным структурным отличиям и фотеконограмм, не маскируемым присутствием кра сителей, ПАВ и ароматических добавок.

Таблица

Состав образцов жидкостей для стеклоомывателей

Состав Вода, °/о Иадпро панол, а/о Этанол, % Метанол, °/о Этиленг- ЛИКОЛЬ, °/о

Образец

№1 22.9 74.6 ■ - 2.5

№2 43.7 52.2 2.6 - 1.5

№3 41.2 58.8 - - -

№4 64.4 4.5 31.0 0.1 -

№5 78.8 0.2 0.2 20.8 -

№6 51.6 48.2 0.1 0.1 -

№7 77.0 0.3 0.1 22.6 -

№8 75.2 0.2 0.1 24.5 -

№9 78.8 0.2 0.1 20.9 -

Созданный приборный комплекс, обладает практически важными качествами:

- Экспрессный режим измерения - вне зависимости от сложности состава жидкости, продолжительность анализа не превышает нескольких минут;

- Унифицированность - возможность анализа максимально разнообразных сырьевых и технологических жидкостей;

- Минимальные эксплуатационные издержки, обусловленные отсутствием затрат на дорогостоящие расходные материалы;

А

0 2 4 6 8 /, с Рис. 13.

I

- Небольшой объем пробы анализируемой жидкости - порядка 1 мл;

- Автоматизированные процесс измерения и процедура обработки данных;

; - Уникальная процедура идентификации, позволяющая достоверно обнаруживать неидентичность анализируемой пробы и эталонного образца в ситуациях, когда неизвестен даже примерный состав жидкости и нетривиален хам выбор методов анализа;

- Отсутствие жестких требований к уровню квалификации лаборантов.

Фактически, анализаторы «Фотекон-В2», могут эксплуатироваться в режиме «офисного оборудования» (т.е. без организации полноценной лаборатории с высококвалифицированным персоналом), что открывает принципиально новые возможности для внедрения на предприятиях (в том числе малых) новых методик производственного контроля технологических процессов.

В четвертой главе представлены результаты исследований открытого автором природного явления - диссипативной структуры «Капельный кластер».

Капельный кластер был впервые зарегистрирован в ходе исследований фо-тоиндуцированных термокапиллярных течений. В одном из опытов с тонким открытым слоем воды в поглощающей свет эбонитовой кювете сфокусированный пучок света вызвал нагрев жидкости и появление паро-воздушного конвективного факела, в котором активно зарождались микрокапли конденсата. Подавляющее большинство микрокапель уносилось конвективньм потоком, но наиболее крупные капли выпадали на свободную поверхность слоя. Эти капли в течение многих минут не коалесцировали с жидкой поверхностью, собираясь в упорядоченную гексагональную структуру, рис. 14а. Фактически, рис. 146, капли левитировали над жидкой поверхностью на расстоянии, йА ; сопоставимом с диаметром капли.

Рис. 14. (а) Одна из первых фотографий капельного кластера. Концентрические -' дорожки - результат токарной обработки кюветы; (б) Кластер при горизон-I тальном положении микроскопа. Под каплями видны их отражения от жидкой поверхности.

Явление имеет тепловую природу (свет - один из возможных источников нагрева жидкости) и, помимо воды, может воспроизводиться с рядом органических жидкостей с высоким поверхностным натяжением: глицерином, эти-ленгликолем, водными растворами спиртов и др. В опытах с эбонитовой кюветой кластер образовывался лишь в случае достаточно тонкого жидкого слоя.

Однако, если способ подвода тепла обеспечивает непосредственный нагрев меж _ фазной поверхности жидкость-газ, толщина слоя жидкости утрачивает значение.

Существует пороговая температура жидкости в области нагрева, ниже ко-Г торой капельный кластер не формируется - выпадающие на жидкую поверх^ ность капли конденсата коалесцируют со слоем. Например, при атмосферном давлении и температуре окружающего воздуха порядка 20...25 °С, минималь ная температура слоя воды, на поверхности которого может сформироваться капельный кластер, должна быть выше 50 °С. Верхний предел температурного: диапазона существования капельного кластера ограничивается температурой кипения жидкости.

Находясь в кластере, капли со временем увеличиваются в размере, прг этом, скорость роста и максимально достигаемый диаметр капель прямо про-! порциональны температуре Т5 жидкой поверхности. При низких значениях Т5 наблюдаются капли диаметром с1 ~ 15...20 мкм, в то время, как при Т5 > ВО °С диаметр капель может превышать 100 мкм. Учитывая относительно невысокую разрешающую способность стереомикроскопа8, рабочий диапазон мощно сти нагревателя выбирался из условия: 60 °С< Т5< 95 °С, т.о. основным объ ектом исследования были кластеры, состоящие из капель диаметром 40 и бо лее мкм.

Принципиально важным условием для возникновения капельного кластера! является локальный нагрев жидкости. При однородном нагреве жидкой по верхности можно наблюдать родственное капельному кластеру явление, которое легко воспроизводится в обычной кружке с чаем или кофе9. Если темпера-!

жидкой поверхностью возникает характерный узор из светлых многоугольни-! ков неправильной формы, ограничен-! ных узкими темными линиями. Такой; узор сформирован из выпавших на жид-; кую поверхность микрокапель конденсата, устойчивость к коалесценции которых объясняется действием потоков^ Стефана. >_

Незначительная, на первый взгляд,^ трансформация условий эксперимента —р переход от однородно нагретой протя-р

8 Оптические микроскопы других типов обладают более высокой разрешающей способностью, но имеют малую глубину резкости изображения.

9 Шефер В. Наблюдения над утренней чашкой кофе // Успехи физических наук. -1972. -№3,- С. 577-580.

тура напитка достаточно высокая, над

Рис. ¡5. Капли над поверхностью воды: слева - однородный нагрев до 90 °С; справа - локальный нагрев - над центром нагревателя 90 °С, на периферии 25 °С.

женной поверхности к локализованному источнику тепла, качественно изменяет режим тепломассообмена на межфазной границе, обеспечивая условия для формирования капельного кластера. Даже при визуальном наблюдении (см. рис. 15), у рассматриваемых явлений обнаруживаются выраженные отличия (табл. 4), причины которых будут проанализированы в дальнейшем.

Таблица 4

Микрокапли над поверхностью испаряющейся жидкости

Характеристика Протяженная нагретая поверхность Локализованный источник тепла

Взаимное расположение капель Хаотичное Упорядоченная гексагональная структура

Диаметр капли ~ 10...15 мкм От 20 до 100 и более мкм

Расстояние от жидкой поверхности В непосредственной близости Может быть сопоставимым с диаметром капли

Радиационный способ нагрева жидкости (тепловым действием света) име-I ет ряд недостатков: он технически сложен для управления и контроля мощностью и распределением температуры индуцируемого теплового источника; ! индуцирующий световой пучок затрудняет регулировку режима освещения капельного кластера, что неблагоприятно отражается на качестве видеозаписи , и др. Поэтому, в большинстве экспериментов, применялся способ нагрева \ жидкости встроенным в дно кюветы нагревателем, рис. 16.

, Рис. 16. Схема установки: 1 -дюралевая кювета; 2 - слой жидкости; 3 - нагреватель, генери-| рующий капельный кластер; 4 и 4' - спаи медь-константановой | термопары; 5 - щуп цифрового термометра; 6 - регулируемый ( низковольтный источник напря-j жения; 7 - внешняя линза объектива стереомикроскопа МБС-10 \ (при наблюдении кластера в видимом диапазоне), либо - линза 1 тепловизора Titanium 570М (при регистрации полей температуры).

На вставке более подробно показана конструкция типового нагревателя: это вклеенный в дно кюветы на эпоксидную смолу цилиндрический медный стержень радиусом RH. На стержень навита лакированная нихромовая проволока, разогреваемая при пропускании электрического тока. Диаметр отверстия в дне кюветы на 1 мм превышает диаметр нагревателя. Благодаря этому, эпоксидная смола создает оболочку, которая изолирует нагреватель от металлического корпуса кюветы, обеспечивая локальность нагрева.

В случае размещения нагревателя на уровне дна кюветы, тепловое поле на, свободной поверхности слоя зависит от его толщины /г0. В опытах с капельным кластером h0 определялась объемом жидкости, наливаемой в кювету с помощью высокоточного дозатора. Большинство экспериментов проводилось при h0 = 380 мкм (объем жидкости 2.1 мл), которая в дальнейшем будет считаться стандартной.

Испарение неизбежно влияет на толщину слоя, однако, характерная для описываемых опытов скорость испарения такова, что за 10 мин работы нагревателя на максимальной мощности толщина слоя снижается не более чем на 5% от исходной. Это позволяет проводить множество экспериментов без использования технически сложных средств поддержания толщины слоя.

Пример ИК изображения поверхности слоя жидкости в области нагревателя показан на рис. 17а. Характеристики тепловых полей на свободной поверхности жидкости при минимальной, средней и максимальной (в пределах рабочего диапазона) мощности нагревателя отражает график на рис. 176. Здесь, пространственная координата пронормирована на радиус нагревателя RH, а температура - на индивидуальные для каждой зависимости значения Т$тах.

r!RH

Рис. 17. (а) Капельный кластер в видимом и ИК диапазонах. Граница нагревателя показана штриховой линией; (б) Зависимость температуры (светлые маркеры) и радиального градиента температуры на жидкой поверхности (зачерненные маркеры) от расстояния до центра нагревателя. Температура Тзтах и электрическая мощность, Р, нагревателя: 1 - 93 °С, 0.72 Вт, 2-83 °С, 0.39 Вт,

3-69 °С, 0.17 Вт.

Во всем рабочем диапазоне мощности нагревателя температурное распределение на жидкой поверхности не претерпевает качественных перестроек. Как и следовало ожидать, источник тепла четко локализован и наиболее резкий спад температуры приходится на окружающий нагреватель слой эпоксидной смолы. В области существования кластера температура плавно снижается по мере удаления от центра нагревателя, при этом, перепад температур в пределах области не превышает 5% от Т$тах.

Параметры теплового поля в газовой среде над жидкой поверхностью изучались в экспериментах с термохромной пленкой, рис. 18. Здесь: 1 металличе-

-

екая кювета с внутренними каналами, сообщающимися с внешним контуром жидкостного термостата; на дне кюветы закреплен алюминиевый цилиндр 2 со встроенным нагревателем (во время опытов верхний торец цилиндра скрыт тонким слоем жидкости). Изображение температурного поля в газовой среде визуализируется термохромной пленкой 3, а записывается с помощью горизонтально рас) положенного стереомикроскопа 4, оборудованного специализированной телекамерой. , Температурные поля, визуализированные термохромной пленкой, показаны на рис. 19а: слева - над однородным по темпе-I ратуре слоем (кювета и вода в ней прогреты [ за счет прокачки теплоносителя, нагреватель выключен); справа - при локальном нагреве10 (кювета и основной объем жидкости при комнатной температу-, ре, нагреватель включен). Положение границы раздела фаз (по ней проведена ось г) соответствует середине зазора между нижним краем термохромной пленки и его отражением в воде. На рис. 196 приведен график зависимостей температуры газовой среды, Тр от расстояния до жидкой поверхности, построенный по данным рис. 19а. Из него следует, что ^ас! Те над однородно нагре-\ той до температуры Т„ жидкой поверхностью в четыре раза меньше, чем аналогичный градиент над локально нагретой поверхностью, у которой макси-| мальная температура равна Т5.

Капельный кластер существует над неоднородно нагретой, но в тоже время практически неподвижной межфазной поверхностью. Это возможно лишь в жидкостях с высоким поверхностным натяжением, в которых термокапиллярные течения могут эффективно подавляться действием поверхностно-активных веществ (ПАВ). Опытные данные свидетельствуют, что капельные кла-

- стеры могут быть получены с использованием воды любых природных источников, в частности, представленные в работе результаты получены с использованием дистиллированной воды с ее естественным содержанием ПАВ. При

- условии добавления ПАВ, явление воспроизводится и с такими жидкостями, ' как этиленгликоль и глицерин". Очевидно, что ПАВы необходимы для создания условий, в которых может сформироваться капельный кластер, однако, вопрос ограничивается ли роль ПАВ функцией подавления ТК конвекции, или же их действие сложнее требует дальнейших исследований.

10 Для удобства сравнения на рис. 19а приведена лишь половина изображения температурного поля, для которого ось г является осью симметрии.

Так же, как и вода, это жидкости с высоким поверхностным натяжением: глицерин порядка 70 мН/м, этиленгликоль - 50 мН/м.

Рис. 18.

ь

Вертикальный градиент температуры в окружающей капельный кластер^ газовой среде достигает нескольких десятков К/мм, рис. 196. Это означает, что! при достаточно интенсивном теплообмене между поверхностью капли и ок-г ружающей средой, разница температур на нижнем, Т^, и верхнем, Тл, участках поверхности капли может достигать нескольких Кельвинов.

(«) (б)

Рис. 19. (а) Поле температур в газовой среде над однородно (левая половина) и локально нагретой (правая половина) жидкой поверхностью (ось z проведена из центра нагревателя); 1 (б) График зависимости температуры от расстояния до поверхности жидкости.

Для оценки коэффициента теплообмена, а, воспользуемся формулой12,! которая применима при обтекании дисперсных частиц потоком с числами' Рейнольдса Re от 1 до 70000 в широком диапазоне чисел Прандтля Рг:

Nu ~ 2+0.46Де° 55Рг°33. (6);

В нашем случае число Re = pgUd/fig ~ 4, где pg ~ 1.3 кг/м3 и /ug ~ 20 10"6 Па с - плотность и вязкость влажного воздуха, d ~ 0.1 мм - характерный диа-1 метр капли, U ~ 0.5 м/с - скорость, обтекающего кластер, потока. Для воздуха! число Рг = 0.71, отсюда, по формуле (6) число Nu ~ 3. Это соответствует коэффициенту теплообмена

а = Nu yd к 2 103 Вт/м2 К, (7)'

при котором разностью между температурой газовой среды и поверхности^ капли можно пренебречь.

Тепловизор Titanium 570М может регистрировать ИК изображения с раз-и мером пикселя 15x15 мкм. Этого достаточно для построения распределения j-температуры поверхности крупных капель, рис. 20.

Наиболее горячий - нижний участок поверхности капли находится в непо- г средственной близости от слоя жидкости, чья температура Ts известна. Отсю-г да, можно оценить вертикальный градиент температуры в капле:

grad Tcb = (Tdb-Tdl)/d~(Ts-Ti,t)/d. (8)

п Нигматулин Р.И. Динамика многофазных сред. 4.1. - М: Наука, 1987. - С. 175.

Для показанного на рис. 20 кластера, разница температур Тл и Т3 составляет 4.6 К, что, с учетом размера капли (с1= 120 ± 15 мкм), эквивалентно §таё Т& ~ 39 ± 5 К/мм. Такое значение хорошо согласуется с результатами опытов с термо-хромной пленкой, рис. 19, в ходе которых при более низкой температуре слоя (Т, = 60 °С) был зарегистрирован §гас1 порядка 30 К/мм.

В этом случае Число Марангони Ма для капли имеет значение

Ма =ЛЬ<г11*а = й{о,тЬ.Т)1ра = й{а,тфх -Тл))/ца~ 350, (9)

где (р. = 10'3 Па -с, а = 1.6 10'7 м2/с, а'г = 0.145 мН/м - вязкость, температуропроводность и температурный коэффициент поверхностного натяжения воды). При таком высоком значении числа Ма в капле неизбежно возникнут интенсивные течения термокапиллярной природы, которые, учитывая симметрию поля температур, также должны быть осесимметричными, рис. 21, (течение показано схематично).

Т, °С

2 А

1 1 1 1 ^ 84 1 ' 1 ' 1 -I—' -0.15 -0.05 0.05 г, мм

Рис. 20. Распределение температуры Рис. 21. ТК вихрь в капле кластера,

на поверхности капли.

Если поддерживаются необходимые условия, капельный кластер может существовать неограниченно долго, при этом, периодически происходит смена поколений капель, обусловленная эффектом «исчезновения» кластера. Детали этого эффекта удается наблюдать при частоте записи не менее 1000 кадров в секунду, рис. 22. На серии последовательных кадров видно, как в результате коалесценции единственной капли за тысячные доли секунды разрушается весь кластер. В данном случае скорость фронта разрушения кластера составляет порядка 70 см/с, что является типичным значением для скорости капиллярной волны на поверхности тонкого слоя воды. Характерные следы, остающиеся после разрушения кластера, свидетельствуют о том, что капли коалесциру-ют со слоем.

Рис. 22. Эффект исчезновения капельного кластера.

Находясь в кластере, капли постепенно увеличиваются в размере за счет конденсации пара. Во всем исследованном диапазоне мощности нагревателе наблюдалась линейная зависимость площади поверхности растущей капли о времени, рис. 23а, что свидетельствует о диффузионном режиме конденсации.

Скорость роста капель, при прочих равных условиях, прямо пропорцией нальна мощности нагревателя, рис. 236: чем выше мощность, тем больше не репад температуры между поверхностью жидкости и окружающим газом и тем активнее протекает процесс конденсации пара. При увеличении мощности ж 4.4 раза скорость роста диаметра капли возрастает примерно в 170 раз, массо-| вая плотность потока пара - в 120 раз. Если при низкой мощности нагревателя капельный кластер практически в неизменном виде может существовать в те чение многих минут, то с повышением мощности диаметр капли удваивается за несколько десятков секунд. В этом случае описанный выше эффект исчез-1 новения кластера приобретает выраженную периодичность: достигнув некото-] рой критической массы капля неизбежно коалесцирует со слоем.

Рис. 23. (а) Изменение в процессе роста капли ее диаметра 1, площади поверхности 2 и массы 3. Мощность нагревателя 0.6 Вт. При нормировке использованы параметры капли в момент начала измерения; (б) График зависимостей от мощности нагревателя скорости роста капли 1 и плотности потока пара 2, конденсирующегося на ее поверхности

6 1, с

Рн.Ъ-т

Капельный кластер формируется при условии, что градиент температуры, над неоднородно нагретой поверхностью жидкости превышает некоторый пороговый уровень. Кластер обеспечивает дополнительный механизм рассеяния-энергии, то есть является типичной диссипативной структурой.

Термокапиллярное напряжение, действующее на единицу площади по-, верхности капли, равно Уст, работа поверхностных сил (в единицу времени),

•авна , где V - скорость жидкости на поверхности капли. При

том, согласно второму началу термодинамики, А<ддТ/Т, где ц - поток 1епла, переносимый с нижней поверхности капли термокапиллярным потоком.

Движение несжимаемой (Уо=0) Ньютоновской жидкости внутри капли юдчиняется уравнению Навье-Стокса

р — = -Чр + рАи, (10)

Л

де/г - коэффициент вязкости. Для кинетической энергии всей жидкости нутри капли получим уравнение баланса

= + (11)

С учетом тождества

XX X

(12)

X

первый член определяет перенос, второй - поглощение кинетической энергии, причем поток энергии, поступающий с поверхности, равен работе термокапиллярных сил, и стационарное или квазистационарное распределение темпе-атуры обеспечивается тороидальным движением жидкости внутри капли, рис. 21, которое дает дополнительный механизм рассеяния энергии. В случае стационарного (или квазистационарного) режима

$»пР<ю = о, (13)

и компенсация потерь кинетической энергии жидкости работой термокапиллярных сил выражается соотношением:

М/2(ЪХ)2<*3* = = А = (14)

За счет вязкого трения кинетическая энергия жидкости преобразуется в тепловую и рассеивается вместе с переносимым тепловым потоком.

Соотношение (14) позволяет оценить порядок величины скорости жидкости и переносимый поток энергии. Размер капли определяется ее радиусом гл.

Градиент поверхностного натяжения имеет порядок до/гл, градиент скорости имеет порядок у/га, поверхность капли ~ . В итоге получим

о^дст/ц, (15

переносимый тепловой поток равен

г„Г

дГ■ Об

д « Т{8о)2 га1/л8Г=— йт

Используя соотношение (15) и (16), можно оценить (по порядку величи ны) скорость течений на поверхности капли, работу поверхностных сил в еди ницу времени и переносимый ими тепловой поток.

= (17

А-до2г41 =(р'тШгаё Т22г)ггЛ 1ц (18

д « Тдо2га/рдТ= Т0{о'т®а& Т22гй)ггй1ц рас! Тг2п = Тг2г//ц (19

где о'т- температурный коэффициент поверхностного натяжения воды. Под становка численных значений: о'Г~ 0.145 мН/м• К, Г0= 330 К,¿и «0.5 мН• с/м (учтено, что температура капли порядка 60 °С), = 30 мкм, ртё Тг ~ 30 К/мм дает

V ~ 0.5 м/с, А « 4-10"9 Дж, ц ~ 0.8 • 10"6 Вт. (20

Прямое измерение скорости течений на поверхности капель (например, з счет внедрения в них трассерных частиц), а тем более, измерение оцененны энергетических параметров, является сложной, и, возможно, технически не реализуемой задачей. Однако, в пользу существования термокапиллярных те чений, создающих дополнительный механизм рассеяния энергии, свидетельст вует следующий экспериментальный факт: в момент разрушения кластера на блюдается скачок температуры поверхности слоя, рис. 24. График построен использованием следующего алгоритма: в пределах каждого из четырех квад ратных участков определяется максимум температуры и вычисляется средне значение температурных максимумов.

По мере восстановления капельного кластера температура поверхност возвращается к исходному уровню. Течения в каплях кластера интенсифици руют теплообмен лишь в тонком слое (порядка диаметра капли), непосредст венно прилегающем к жидкой поверхности. Их влияние на теплообмен в це лом относительно невелико, поэтому, зафиксированные скачки температурь не превышали 0.15 К.

Локальный источник тепла, необходимый для существования капельног кластера, порождает восходящий паро-воздушный поток. На рис. 25 показань примеры визуализации структуры этого потока вблизи жидкой поверхности. Изображения получены при горизонтальном положении микроскопа, пото

подсвечен плоским лазерным лучом, направленным параллельно жидкой поверхности. Количество микрокапель, рассеивающих излучение лазера, искусственно повышено за счет задымления.

73.6 Г| 1 1 1 .............................................

0.00 2.00 4.00 6.00 8.00 10.00 12.00 14.00 16.00 18.00 (, с

Рис. 24. Скачок температуры поверхности слоя при разрушении капельного кластера.

При анализе структуры течений обращает на себя внимание существование над нагревателем слабо расходящейся паровоздушной струи, бьющей вер-икально вверх от жидкой поверхности, рис. 25а. Эта струя состоит преимущественно из пара и заметно ограничивает проникновение воздуха в область капельного кластера. Фактически, кластер находится в атмосфере насыщенного пара, что объясняет описанный ранее эффект непрерывного роста капель.

Макромасштабные (на фоне рассматриваемого процесса) воздушные течения приводят к характерной деформации паровоздушного потока, при этом, на границе нагревателя формируется вихрь в виде незамкнутого участка тора, )ис. 256.

Рис. 25. Структура паровоздушного потока в вертикальной плоскости, проходящей через центр нагревателя: (а) Невозмущенный восходящий поток; (6) Деформация потока под действием макромасштабного течения (дополнительно показано направление вращения вихря).

Благодаря тороидальному вихрю реализуются условия, необходимые для проявления «тандем-эффектов» первого и второго типа, играющих важную

L

роль для понимания механизма левитации капельного кластера над жидко! поверхностью. Объединение капель в тандемы первого типа, рис. 26а, проис ходит в самом тороидальном вихре - между каплями, которые, сблизившись^ начинают вращаться вокруг общей оси. Возникающая сила притяжения аэро динамической природы сохраняется в течении 5... 10 секунд, после проникши вения тандема в область кластера. Затем, тандем распадается на две независи мые капли. Тандемы второго типа образуются, когда выброшенная торой дальным вихрем капля падает сверху на уже сформировавшийся кластер i «оседлывает» одну из капель, рис. 26б. Период существования тандемов вто poro типа также не превышает нескольких секунд.

Рис. 26. Тандем-эффект первого (а) и второго (б) типов (вид сверху и сбоку).

В числе теоретически возможных причин левитации капель рассматрива лись: а) электризация капель и поверхности жидкости, б) тсрмокапиллярпы-течения на поверхности капель, в) подъемная сила в восходящем конвектив1 ном потоке воздуха (Стоксовский механизм).

В дальнейшем, первые два механизма были исключены из рассмотрения как противоречащие экспериментальным данным. В частности, на кластер не влияет заземление кюветы и электростатические поля напряженностью Д' 60 кВ/м, но главное, электрическими силами невозможно объяснить тандем, эффекты. Распределение температуры на капле, рис. 20, индуцирует термока пиллярные течения, способные создать под каплей лишь область пониженного давления, но не наоборот. '

В пользу Стоксовского механизма левитации кластера свидетельствует суще---ствование мощного парогазового потока над нагревателем, рис. 25. Чтобы кагаъ-зависла в потоке со скоростью течения ¡7, доляшо выполняться соотношение:

тлё = С^р„и212, (21\

где тл = р[Ти1ъ¡6, плотность насыщенного пара температуре испаряюJ щейся жидкости, 5,/=ж/2/4- площадь сечения капли, С[1 - коэффициент со

[ротивления, зависящий от числа Рейнольдса Яе = \JdpJyi. В данном случае исло Яе близко к единице и С</ = 24/Яе, поэтому зависимость максимального ;иаметра левитирующей капли определяется выражением:

¿тах(Ц) = (\8ии/р^У/2. (22)

Прямое измерение скорости потока технически сложная задача, поэтому ыл реализован косвенный метод измерения С/ по скорости, т, изменения еса жидкости во время генерации капельного кластера. Действительно, зная емпературу жидкости, площадь, Ян, нагретого участка поверхности и ско-ость испарения слоя, т0, при выключенном нагревателе, несложно оценить корость потока пара над нагревателем. Плотность потока пара Jv-(m-mй)|Sн кг/м2с. Отсюда:

и = ^/ру=(т-т0)/р^н. (23)

Необходимые для оценки и экспериментальные данные приведены на рис. 1а. Судить о диаметре капель, способных висеть в потоке при различных зна-ениях и, можно по расчетной зависимости, представленной на рис. 216. Здесь :е приведены результаты измерения максимального размера капель кластера, [оложение экспериментальных точек подтверждает, что во всем исследован-ом диапазоне мощности нагревателя скорость парогазового потока достаточ-а для реализации Стоксовского механизма левитации капель.

т

лс. 27. (а) График зависимо-ей температуры нагревателя светлые маркеры) и скорости ' -'*' спарения слоя (темные мар- |||м еры) от подводимой элекгри-еской мощности; (б) Зависи- 80 мость максимального диамет-а капли, способной левити- ® овать над слоем, от скорости дд паровоздушного потока. Сплошная линия соответству- -0 ет зависимости (22), точки -экспериментальным данным. 11

I

Эксперименты, в ходе которых фиксировалось положение капель разного азмера над жидкой поверхностью, рис. 28а, дают представление о вертикальном распределении скорости течений в парогазовой струе. Поскольку диаметр, а значит, и масса капель известны, скорость потока может быть определена из равенства веса капли силе Стокса, рис. 286.

III - щ. ¡1,,.,

мг/с мкм

0.12 120

0.10 100

О.ОЯ 80

0.06 60

0 04 -10

о.о: :о

0.00 0

0,2 0.4 0.6 Рн, Вт

0 0.1 0.2 0,3 0.4 {/, м/с

Как видно из графика, зависимость распадается на два участка, один из ко торых (темные маркеры) соответствует небольшим каплям, второй (светлы^ маркеры) - более крупным. Экстраполяция по первому участку в область малых расстояний дает вполне ожидаемые значения II, в отличие от второго уча| стка, из которого следует, что вблизи жидкой поверхности скорость потока1-становится нефизично высокой. График на рис. 28в отражает трансформации зависимости рис. 286 с учетом поправки на диаметр капель. Фактически, из менение хода зависимости происходит, когда расстояние между каплей и ело ем становится меньше, чем радиус капли. В этом случае механизм обтекани | капли существенно усложняется, и применение формулы Стокса становится некорректным. Несмотря на это, описанные результаты имеют принципиаль ное значение - эффект резкого замедления потока объясняет стабильность по' ложения капельного кластера. Характеристики парогазовой струи свидетельст вуют, что основной причиной ее возникновения является резкое охлаждение, I как следствие - конденсация пара в газовой среде вблизи жидкой поверхности.

Рис. 28. (а) Положение капель кластера над жидкой поверхностью; (б) Зависимость скорости потока (вычисленная по диаметру капли) от расстояния от жидкой поверхности; (в) Трансформация зависимости (б) с учетом поправки на диаметр капель.

Отличительной чертой капельного кластера является упорядоченная гекса тональная структура, для характеристики которой введем расстояние Ьс/ меж; центрами капель, рис. 29, и коэффициент Кс1 = где 5е/ - минимальна1

площадь круга, в который может вписаться одна гексагональная ячейка, площадь поперечного сечения капли. Наблюдения показывают, что при про чих равных условиях, чем выше мощность нагревателя, тем больше расстоя ние между каплями кластера. График на рис. 29а иллюстрирует трансформацию кластера по мере роста капель. Вне зависимости от мощности нагревате ля, по мере увеличения диаметра капель, расстояние изменяется незначительно, в результате чего плотность упаковки кластера, характеризуемая коэф Кс1, возрастает в несколько раз. Впрочем, предельное значение Ьс1 = 1.5, соот ветствующее нулевому расстоянию между каплями, не достигалось ни в одной из экспериментов.

Рис. 29. (а) График зависимостей от диаметра капель коэф. Кы (нижняя группа) и расстояния ! £'с; = £<Д.с(т<а- Кривые 1, 2, 3 соответствуют мощности нагревателя 0.39, 0.49 и 0.72 Вт; (б) Зависимость скорости перемещения капли от расстояния до центра нагревателя.

Устойчивая гексагональная структура кластера свидетельствует о том, что щ горизонтальной плоскости действуют взаимно компенсирующиеся силы сближения и отталкивания капель. В отсутствии кластера одиночная капля медленно дрейфует к центру нагревателя, при этом, скорость дрейфа сначала возрастает, достигая максимума примерно на половине расстояния от края до ентра нагревателя, а затем снижается до нуля, не достигнув центра, рис. 296.

Основной причиной такого движения капли является радиальный градиент ¡давления, Р„ возникающий из-за неоднородного нагрева жидкой поверхности: в центре, жидкость испаряется интенсивней, соответственно скорость аровоздушного потока выше, а давление ниже. Центростремительная сила Гс, штывая малую скорость движения капли, может быть приравнена силе Сто-са:

Рс = \grad РгI Ул = 11жц^г, (24)

где Ус1 = 32 лс?/3 - объем капли, 18.5 10"6 Па с - вязкость влажного воздуха. 1 При скорости 0.3 м/с, характерной для парогазового потока, локальное понижение давления АР = р{/2/2 составляет порядка 50 Па. Согласно же данным р скорости движения капли, рис. 296, радиальный градиент давления в области кластера не превышает 16 Па/мм. В этом случае на каплю действует сила ве-ничиной до 2 нН (на порядок меньше веса капли), которая при сближении ка-ель уравновешивается некоторой короткодействующей силой отталкивания. I При обтекании капель кластера доминирующими являются вязкостные ¡эффекты. С этой точки зрения, возникновение аэродинамических сил отталкивания капель выглядит вполне закономерным13. Для сил такой природы харак-

13 Хаппель Дж., Бреннер Г. Гидродинамика при малых числах Рейнольдса. - М.: Мир, 1976.-630 с.

терен небольшой (сопоставимый с размерами объекта, создающего возмуще_ ние потока) радиус действия и жесткая привязка к источнику возмущений - 1 данном случае к каплям кластера. На расстояниях порядка диаметра капл изменения паровоздушного потока вдоль жидкой поверхности незначительны что объясняет радиальную симметрию (относительно оси капли) поля сил о' талкивания.

Аэродинамическая задача обтекания кластера паровоздушным потоко (трехмерная модель из семи сфер, образующих гексагональную структур; была решена с применением программы ANSIS-CFX. Расчеты базировались h¡ решении уравнения Навье-Стокса с учетом известных из эксперимента napâ метров потока. Результаты моделирования подтвердили предположение о существовании между каплями областей повышенного давления, рис. 30, достаточно выраженных, для возникновения сил отталкивания величиной порядка нескольких нН. Такие силы отталкивания, фактически, равны действующим в кластере центростремительным силам. Согласно расчетам, при прочих равных условиях, сближение капель вызывает повышение давления в пространстве между каплями, не оказывая влияния на центростремительные силы. Это объясняет механизм стабилизации положения капель в горизонтальной плоскости, а также природу гексагональной структуры кластера.

По многим характеристикам капельный кластер является уникальным природным объектом, заслуживающим пристального внимания с точки зрения практических прило жений. Кратко остановимся на трех областях применения нового явления, рамках которых автором получены патенты на изобретения.

Дозирование сверхмалых объемов жидкостей. В этом случае капельный кластер используется в качестве источника неограниченного количества мик1 родоз жидкости, счетное число которых всасывается в микрокапилляр пото| ком воздуха. Кластер дает уникальную возможность управления объемом доз^-жидкости, с шагом порядка нескольких пиколитров, простым изменение температуры жидкости. '

Контроль содержания аэрозольных частиц в воздухе. Зарождение микро, капель над испаряющейся жидкой поверхностью происходит на центрах кон. денсации, основными из которых являются аэрозольные частицы. Метод pea1 лизован в опытном образце пылемера, принцип работы которого основан н измерении скорости увеличения площади капельного кластера по интенсивно,

Рис. 30. Распределение давле-1 ния в горизонтальном сечении, проходящем через центр капель.

ти рассеиваемого им лазерного излучения. Благодаря эффекту «превращения» ьубмикронных частиц, выступающих ядрами конденсации пара, в относительно крупные и легко регистрируемые капли кластера, данное направление федставляет интерес для технологий чистых производственных помещений, р частности, может использоваться при разработке нового типа приборов, ре-истрирующих счетные концентрации сверхмалых (<0.1 мкм) аэрозольных частиц.

Визуализация течений на межфазной поверхности жидкость-газ. Капли ,ластера могут использоваться как трассирующие частицы, локализованные в {ринципиально важном для математического моделирования слое вблизи . еж фазной поверхности жидкость-газ. Они способны детально визуализировать микромасштабные поля скоростей, рис. 31, проявляя свойства миниатюрных датчиков, своим размером сигнализирующих о ряде параметров газовой

) Рис. 31. Примеры визуализации течений на межфазной границе жидкость-газ. Применено 4 наложение негативного и позитивного изображений последовательных кадров видеозаписи: (а) Тепловая конвекция воздуха внутри цилиндра Стефана; (б) Зарождение и развитие термокапиллярного вихря в тонком слое воды с ПАВ. Граница вихря после стабилизации процесса I (на 5-ой секунде) очерчивается множеством малоподвижных капель.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1 1. Сформулирована концепция фотеконскопии - принципиально нового Метода исследования жидкостей, в котором используется эффект динамической деформации межфазной поверхности жидкость-газ термокапиллярными речениями, индуцируемыми пространственно локализованными тепловыми мпульсами, а источником информации служит фотеконограмма - зависимость, отражающая изменения во времени диаметра термокапиллярного отклика.

2. Разработаны двухлучевые (с применением мощного индуцирующего слабого зондирующего лазерных пучков) методики исследования фотоищ цированного термокапиллярного эффекта в тонком горизонтальном слое жи кости, адаптированные для изучения эволюционных зависимостей термок пиллярного углубления и отклика, в том числе, на стадии релаксации течени Экспериментально изучено влияние на углубление и отклик основных пар метров системы «пучок/слой/подложка»: толщины жидкого слоя, коэффиц ента поглощения излучения жидкости, теплофизических свойств подлош мощности индуцирующего пучка, распределения интенсивности зондирующ го пучка и др.

3. На основании обобщения результатов исследований фотоиндуцированн го термокапиллярного эффекта определены базовые требования к конструкци прибора, реализующего метод фотеконскопии, а также к процедуре анали'3 жидкостей, соблюдение которых позволяет получать хорошо воспроизводимы высокоинформативные фотеконограммы. К таким требованиям относятся:

- применение встроенного в подложку нагревателя (отказ от способа шц цирования термокапиллярного эффекта тепловым действием лазерного пучк и маломощного зондирующего лазерного пучка;

- герметизация и термостатирование образца жидкости во время измерения;

- контроль геометрических параметров образца (в виде тонкого горизо тального слоя) анализируемой жидкости:

а) толщины слоя с точностью не хуже ± 50 мкм;

б) клиновидности слоя, обусловленной негоризонтальностью подложки, точностью не хуже ±0.1 град;

- стабилизация мощности генерируемых нагревателем тепловых импул сов с точностью не хуже ± 0.05 % от опорного уровня;

- контроль временных параметров режима воздействия (длительности и пульсов, интервалов между импульсами и т.д.) с точностью не хуже ± 1 мс.

4. Впервые осуществлена приборная реализация метода фотеконскопии разработан и изготовлен, не имеющий мировых аналогов по физическо принципу измерений, компьютеризированный комплекс, включающий в себ многоцелевой анализатор жидкостей «Фотекон-Б2» и пакет программ, выпо няющих в автоматическом режиме функции регистрации фотеконограмм, о работки и хранения результатов измерений.

5. На основе фотеконскопии разработаны:

- унифицированная экспресс-методика идентификации жидкостей, соч тающая простоту процедуры измерений с возможностью достоверной идент фикации образцов сложного химического состава;

- ряд специализированных методик мультипараметрического производс венного контроля показателей качества сырьевых и технологических жидк

тей, имеющих большое практическое значение: нефти, газоконденсатов, СМ, антифризов и др.

6. Открыто новое явление - диссипативная структура «Капельный кла-тер» - стабильная гексагональная структура из микрокапель конденсата (диа-етром 15... 150 мкм), располагающихся над локально нагретой поверхностью спаряющейся жидкости на расстоянии сопоставимом с диаметром капель.

7. Создана экспериментальная установка и разработан комплекс методик ля исследования свойств капельного кластера и процессов тепломассопере-оса, обеспечивающих формирование и устойчивое существование этой дис-ипативной структуры.

8. В результате комплексных экспериментальных исследований установлено:

- Явление имеет теплофизическую природу и ключевым условием для ормирования капельного кластера является локальный нагрев межфазной оверхности жидкость-газ до температуры, при которой в локализованной об-асти нагрева происходит активное испарение жидкости;

- Не выявлены эффекты, свидетельствующие о накоплении электрического аряда в каплях кластера и на межфазной поверхности жидкость-газ. В частно-ти, на кластер не оказывает влияния наличие/отсутствие заземления слоя то-опроводящей жидкости, а также электростатические поля напряженностью до ОкВ/м;

- Для образования капельного кластера в газовой среде над активно испа-яющейся жидкой поверхностью должен поддерживаться градиент температуры

гас! 7^), превышающий пороговое значение (порядка 30 К/мм). Над однородно агретой до температуры Т3 жидкой поверхностью рте! в несколько раз еныне, чем аналогичный градиент над локально нагретой поверхностью с мак-имальной температурой Т5, поэтому кластеры не образуются над протяженной днородно нагретой поверхностью, даже при активном испарении жидкости;

- Существует минимальная температура жидкости, ниже которой капельный астер не формируется - выпадающие капли конденсата коалесцируют со слом. Например, при атмосферном давлении и температуре окружающего воздуха орядка 20...25 "С, минимальная температура слоя воды, над поверхностью ко-орого может сформироваться капельный кластер, должна быть выше 50 °С;

- В кластере происходит конденсационный рост капель, скорость которого, ри прочих равных условиях, пропорциональна мощности теплового источни-а, генерирующего капельный кластер. Максимальный размер, достигаемый аплями, также зависит от мощности источника и ограничивается эффектом оалесценции капель;

- Коэффициент теплообмена между каплями кластера и окружающей газо-ой средой составляет порядка 103 Вт/м2 -К и распределение температуры на по-ерхности капли определяется распределением температуры в газовой среде;

- Перепад температуры между нижним (наиболее горячим) и верхним (на более холодным) участками поверхности капли может достигать нескольк Кельвинов. Оценки дают значения числа Марангони порядка 350, что свид тельствует о существовании в каплях интенсивных термокапиллярных течений

- Скорость паровоздушного потока, действующего на капли кластера, до тигает значений, необходимых для того, чтобы сила Стокса компенсирова вес капли.

9. Предложена физико-математическая модель явления, которая характ ризует капельный кластер, как диссипативную структуру, обеспечивающ; дополнительный механизм рассеяния энергии за счет термокапиллярных теч ний внутри капель, а также объясняет механизмы стабилизации положен капель над жидкой поверхностью и формирования устойчивой гексагональн структуры кластера аэродинамическими эффектами, проявляющимися п обтекании капель паровоздушным потоком. Справедливость данной моде подтверждена результатами численных расчетов, выполненных с использов нием программы ANSIS-CFX.

10. Объяснен ряд, сопутствующих явлению, физических эффектов:

- эффект спонтанного разрушения капельного кластера;

- эффект объединения капель в тандемы;

- эффект понижения температуры жидкой поверхности под капельны кластером.

11. На основе явления разработаны принципиально новые методы:

- микродозирования жидкостей;

- контроля концентрации аэрозольных частиц в воздухе;

- визуализации микромасштабных течений вблизи межфазной поверхнос жидкость-газ.

СПИСОК ОСНОВНЫХ ПУБЛИКАЦИЙ

Статьи в изданиях, рекомендованных ВАК

1. Федорец A.A., Марчук И.В., Кабов O.A. О роли потока пара в механизме левитац диссипативной структуры капельный кластер // Письма в ЖТФ. - 2011. - № 3. С. 45-50.

2. Аринштейн Э.А., Федорец A.A. Механизм рассеяния энергии капельным кластере // Письма в ЖЭТФ. - 2010. - № 10. - С. 726-729.

3. Кислицын A.A., Пак B.C., Федорец A.A. Аэродинамическая модель устойчивое капельного кластера // Вестник ТюмГУ. - 2009. - № 6. - С.118-124.

4. Федорец A.A., Бакин П.Ю., Колмаков Э.Э. О возможности измерения температур проводности жидкости по фотеконограмме // Вестник ТюмГУ. - 2009. - № 6. С.118-124.

5. Федорец A.A. О применении капельного кластера для визуализации микрома штабных течений жидкости и газа. Известия РАН. Механика жидкости и газа. 2008. - № 6. - С.97-100.

Федорец A.A. О механизме некоалесценции в капельном кластере // Письма в ЖЭТФ. - 2005.-№ 9.-С.551-555.

Федорец A.A. Капельный кластер // Письма в ЖЭТФ. -2004. - № 8,- С.457-459. Безуглый Б.А., Федорец A.A., Тарасов O.A., Иванова H.A. Фотоиндуцированные капиллярные эффекты: новые области применения // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. - 2004. - № 6. - С.82-85. Безуглый Б.А., Федорец A.A. Применение фотоиндуцированного термокапиллярного эффекта для измерения энергетических параметров лазерного пучка // Вестник ТюмГУ. -2002. -№ 3. - С. 118-124. . Безуглый Б.А., Федорец A.A. Лазерный метод измерения толщины тонкого слоя жидкости на твердой поверхности с помощью термокапиллярного отклика // Письма в ЖТФ. -2001. -№ 9. - С.20-25. . Безуглый Б.А., Тарасов O.A., Федорец A.A. Усовершенствованный метод наклонной пластинки измерения краевого угла смачивания // Коллоидный журнал. - 2001. - № 6. -С.735-741.

. Безуглый Б.А., Тарасов O.A., Федорец A.A. Применение термокапиллярного эффекта для усовершенствования метода наклонной пластинки измерения краевых углов смачивания // Вестник ТюмГУ. - 2000. - № 3. - С.60-64. . Безуглый Б.А., Тарасов O.A., Федорец A.A. Применение термокапиллярного эффекта для измерения толщины тонкого слоя жидкости // Вестник ТюмГУ. - 2000. -№ 3. -С.64-67.

Научная монография

. Кислицын A.A., Федорец A.A. Термокапиллярные и концентрационно-капиплярные течения в тонких слоях жидкости. - Тюмень: Изд-во ТюмГУ, 2008. - 176 с. Изобретения, защищенные патентами РФ . С2 2383005 RU G 01 N 21/53. Измеритель запыленности воздуха / Федорец A.A. (Тюменский государственный университет). -№ 2008101138/28; Заявл. 09.01.2008 // Изобретения и полезные модели. - 2010. - Бюл. №6.-5 с. . С2 2350929 RU G 01 N 21/53. Способ контроля запыленности воздуха / Федорец A.A., Колмаков Э.Э, Бакин П.Ю. (Тюменский государственный университет). -№ 2006124294/28; Заявл. 06.07.2006 // Изобретения и полезные модели. - 2009. -Бюл. №9.-5 с.

. С1 2341505 RU С 06 F 3/04. Способ проверки качества противопожарной пропитки спичек / Федорец A.A. (Тюменский государственный университет). -№ 2007114724/12; Заявл. 18.04.2007 // Изобретения и полезные модели. - 2008. -Бюл. № 35. - 3 с.

. С1 2333465 RU G 01 F 13/00. Способ сверхточного микродозирования растворов лекарственных препаратов и биологически-активных веществ / Федорец A.A. (Тюменский государственный университет). - № 2006146778/28; Заявл. 26.12.2006 // Изобретения и полезные модели. - 2008. - Бюл. № 25. - 3 с. . С2 2301415 RU G 01 N 21/55. Устройство для идентификации и контроля качества жидкостей / Федорец A.A. (Тюменский государственный университет). -№ 2005124476/28; Заявл. 01.08.2005 // Изобретения и полезные модели. - 2007. -Бюл. № 17.-3 с.

20. С2 2296954 RU G 01 F 1/704. Применение капельного кластера для визуализац структуры течений в слое газа, граничащем с жидкой поверхностью / Федорец А. (Тюменский государственный университет). - № 2004123031/28; Заявл. 27.07.20 // Изобретения и полезные модели. - 2007. - Бюл. № 10. - 3 с.

21. С1 2271519 RU G Ol F 13/00. Способ сверхточного дозирования жидкостей / Фед рец A.A. (Тюменский государственный университет). - № 2004123030/28; Зая 27.07.2004 // Изобретения и полезные модели. - 2006. - Бюл. №7.-3 с.

22. С1 2247968 RU G 01 N 21/00. Экспресс-метод идентификации и контроля качест жидкостей / Федорец A.A., Безуглый Б.А. (Тюменский государственный универс тет). - № 2003123856/28; Заявл. 29.07.2003 // Изобретения и полезные модели. 2005.-Бюл. №7.-5 с.

23. С2 2256562 RU В 44 F 1/00, G 09 F 19/12. Термокапиллярный способ создания с товых спецэффектов и устройство для его осуществления / Федорец A.A. (Тюме ский государственный университет). - № 2003105753/28; Заявл. 27.02.2003 // Из бретения и полезные модели. - 2005. - Бюл. № 20. - 5 с.

24. С1 22115315 RU В 44 F 1/00, 7 G 02 F 1/315. Класс жидкостей для пузырьков оптических переключателей / Безуглый Б.А., Федорец A.A. (Тюменский государ венный университет). - № 2002117403/28; Заявл. 28.06.2002 // Изобретения и пол ные модели. - 2003. - Бюл. № 30. - 5 с.

25. С2 2201587 RU 7 G 01 N 11/00. Бесконтактный способ измерения вязкости / Без лый Б.А., Федорец A.A. (Тюменский государственный университет). № 2001106544/28; Заявл. 11.03.2001 // Изобретения и полезные модели. - 2003. Бюл. №9.-4 с.

26. С1 2190655 RU 7 С 09 К 5/04, F 28 D 15/02. Класс рабочих жидкостей для теплов трубок / Безуглый Б.А., Тарасов O.A., Иванова H.A., Федорец A.A. (Тюменский г сударственный университет). - № 2001101177/06; Заявл. 12.01.2001 // Изобретен и полезные модели. - 2002. - Бюл. № 28. - 3 с.

27. С1 2178155 RU G 01 J 1/00. Способ измерения мощности лазерного пучка и энер лазерного им пульса / Безуглый Б.А., Федорец A.A. (Тюменский государственнь университет). - № 2001109486/28; Заявл. 09.04.2001 // Изобретения и полезные м дели. - 2002. - Бюл. № 1. - 4 с.

28. С1 2178163 RU 7 G 01N 13/00, G 01 В 9/00. Способ измерения краевых углов смач1 ния с помощью наклонной пластинки, основанный на использовании эффекта инд> рованной лазерным пучком термокапиллярной конвекции / Безуглый Б.А., Тарас O.A., Федорец A.A. (Тюменский государственный университет). - № 2001107476/2 Заявл. 20.03.2001 // Изобретения и полезные модели. - 2002. - Бюл. № 1. - 6 с.

29. С1 2169049 RU 7 В 08 В 1/00, F 16 L 58/00. Способ очистки твердой поверхности жидких загрязнений в виде пленки смачивания или капель / Безуглый Б.А., Федор A.A. (Тюменский государственный университет). - № 2000102061/06; Заяв 27.02.2003 // Изобретения и полезные модели. - 2001. - Бюл. № 17. - 4 с.

30. С1 2165073 RU 7 G 01 С 9/18. Способ контроля горизонтальности поверхност Безуглый Б.А., Федорец A.A. (Тюменский государственный университет). № 2000107137/28; Заявл. 21.03.2000 // Изобретения и полезные модели. - 2001. Бюл. № 10. - 4 с.

1. Cl 2165071 RU 7 G 44 В 11/06. Способ измерения толщины тонкого слоя прозрачной жидкости / Безуглый Б.А., Федорец A.A. (Тюменский государственный университет). - № 2000107549/28; Заявл. 27.03.2000 // Изобретения и полезные модели. -2001. - Бюл. №6.-3 с. . С2 2163712 RU 7 G 01 J 1/00. Способ измерения и контроля мощности лазерного излучения и устройство для его осуществления / Безуглый Б.А., Федорец A.A. (Тюменский государственный университет). - № 99111181/28; Заявл. 18.05.1999 //Изобретения и полезные модели. - 2001. - Бюл. №6.-4 с. . С2 2161322 RU 7 G 02 В 5/10, 17/06. Зеркало-трансформатор гауссова светового пучка в пучок с заданным по радиальному закону распределением интенсивности, и способ его изготовления с параметрами контролируемыми в процессе изготовления / Безуглый Б.А., Тарасов O.A., Федорец A.A. (Тюменский государственный университет). - № 99103762/28; Заявл. 23.02.1999 // Изобретения и полезные модели. -2000.-Бюл.№36.-5 с. . Cl 2158898 RU 7 G 01 В 11/16, 9/02. Способ бесконтактного контроля плоскостности поверхности / Безуглый Б.А., Тарасов O.A., Федорец A.A. (Тюменский государственный университет). - № 99105326/28; Заявл. 11.03.1999 // Изобретения и полезные модели. - 2000. - Бюл. № 31. - 3 с. . Cl 2149353 RU 7 G 01 В 11/06. Способ измерения толщины тонкого слоя прозрачной жидкости / Безуглый Б.А., Тарасов O.A., Федорец A.A., Шепеленок C.B. (Тюменский государственный университет). - № 98114578/28; Заявл. 27.07.1998 // Изобретения и полезные модели. - 2000. - Бюл. № 14.-4 с. Другие публикации:

. Федорец A.A., Марчук И.В., Кабов O.A. Механизм витания капельного кластера // XXIX Сибирский теплофизический семинар: Сб. тезисов докладов Всерос. конф., Новосибирск, 15-17 ноября 2010 г. - Новосибирск: Изд-во Института теплофизики СО РАН, 2010.-241 с. . Федорец A.A. Перспективы применения диссипативной структуры капельный кластер для визуализации микромасштабных течений на межфазной границе жидкость-газ // 3-я Всероссийская конференция с участием зарубежных ученых «Задачи со свободными границами: теория, эксперимент и приложения», 2008 - Бийск. . Федорец A.A. Фотеконскопия - новый подход к проблеме экспресс-анализа жидкостей // III Евро-Азиатский форум инвестиций и инноваций Инвестпроектэкспо 2006, Конференция Технологический трансфер в Уральском регионе: Материалы. Екатеринбург, 2006.

. Федорец A.A. Фотеконскопия: новый экспресс-метод идентификации и контроля качества жидкостей // Международная конференция Модернизация образования в условиях глобализации: Тезисы докладов. Тюмень, 2005. - Изд-во ТюмГУ, - С.103-104. . Федорец A.A., Бакин П.Ю., Буторин B.C. Фотекон-Dl // Всероссийская выставка научно-технического творчества молодежи НТТМ-2005, М.: ОАО «ГАО ВВЦ». -2005. - С.335-336.

1. Fedorets A.A. Droplet cluster: new capillary phenomenon // International Marangoni Association Congress 2004. - Brussels, Belgium, July 14-17, 2004. - Université Libre de Bruxelles, Microgravity Research Center. - Abstracts, p. 20. (2004).

42. Безуглый Б.А., Федорец А.А., Зуева А.Ю., Чаппаров Ф.Х. Experimental setup investigation of liquid surface deformed by convective flows in thin liquid layer // Тези международной конференции «Современные проблемы тепловой конвекци Пермь: ПГУ, 2003. - С. 44-45.

43. Безуглый Б.А., Федорец А.А., Тарасов О.А., Иванова Н.А. Фотоиндуцированн капиллярные эффекты: новые области применения // II Российская конференция космическому материаловедению: Тезисы докладов. Калуга: Изд-во «Манускрш 2003.-С. 45.

44. Безуглый Б.А., Тарасов О.А., Федорец А.А. Improved tilting-plate method measuring contact angles // 16-я Европейская конференция по химии межфазных п верхностей: Тезисы докладов. Владимир: Изд-тво УНЦ ДО, М. 2003, - С. 81.

45. Безуглый Б.А., Федорец А.А., Чаппаров. Лазерный метод исследования профи термокапиллярной деформации жидкой поверхности // Труды IX межотраслево научного и методического семинара «Теплофизика, гидрогазодинамика, теплоте ника». Вып. I. Тюмень: Изд-во ТюмГУ, 2002. - С. 41-46.

46. Bezuglyi В.A., Tarasov О.A., Fedorets А.А. Laser diagnostics of liquids and its layers First Conference of the International Marangoni Association. - Giessen, Germany, 20

47. Bezuglyi B.A., Ivanova N.A., Tarasov O.A., Fedorets A.A. Photoinduced capillary eff in the momls-technologies // First Conference of the International Marangoni Associati - Giessen, Germany, 2001. - P. 116.

48. Bezuglyi B.A., Ivanova N.A., Fedorets A.A. Application of the photoinduced capill phenomena in liquid microgravity technologies // First Conference of the Internatio Marangoni Association. - Giessen, Germany, 2001. - P. 116.

49. Безуглый Б.А., Федорец A.A. Бесконтактный метод очистки твердой поверхности жидких загрязнений в виде капель или пленки смачивания // Третий Междунаро ный аэрокосмический конгресс IAC2000: Тезисы докладов. - М.: Изд-во С РИА, 2000.-С. 360.

50. Bezuglyi В.А., Tarasov O.A., Fedorets A.A. Application of photoinduced thermocapill effect for the improvement of tilting plate method // International Conference of Coll Chemistry and Physical-Chemical Mechanics: Abstracts. - Moscow, MSU, 1998. - P. 414

Подписано в печать 03.05.2011. Тираж 100 экз. Объем 2,0 уч.-изд. л. Формат 60x84/16. Заказ 340.

Издательство Тюменского государственного университета 625003, г. Тюмень, ул. Семакова, 10. Тел./факс (3452) 45-56-60; 46-27-32 E-mail: izdatelstvo@utmn.ru

-Р. 116.

СПИСОК ОСНОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ И ОБОЗНАЧЕНИЙ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА I. ПРОЦЕССЫ ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОСА НА

МЕЖФАЗНОЙ ПОВЕРХНОСТИ ЖИДКОСТЬ-ГАЗ

1.1. Эффекты Марангони (краткий исторический обзор)

1.2. Виды конвективного течения на поверхности раздела фаз

1.3. Математические модели задач со свободной границей

1.4. Граничные условия в задачах с межфазными поверхностями

1.5. Устойчивость конвективных течений

1.6. Влияние адсорбированных пленок на движение жидкости

1.7. Фотоиндуцированный термокапиллярный эффект

1.7.1. Поле температур

1.7.2. Поле скоростей термокапиллярного вихря

1.7.3. Термокапиллярное углубление

1.7.4. Термокапиллярный отклик

ГЛАВА II. ДИНАМИКА РАЗВИТИЯ И РЕЛАКСАЦИИ

ТЕРМОКАПИЛЛЯРНОГО УГЛУБЛЕНИЯ И ОТКЛИКА

ПРИ ИМПУЛЬСНОМ ВОЗДЕЙСТВИИ

2.1. Экспериментальная установка

2.2. Индуцирующий лазерный пучок

2.3. Пробный лазерный пучок

2.4. Фотоабсорбционный метод измерения глубины термокапиллярной деформации слоя

2.4.1. Процедура измерения

2.4.2. Анализ эволюционных зависимостей

2.5. Динамика развития и релаксации термокапиллярного отклика

2.5.1. Экспериментальные результаты

2.5.2. Анализ процессов развития и релаксации

ТК углубления

2.6. ФТК эффект при клиновидном слое жидкости

2.7. Влияние на ФТК эффект энергетических параметров индуцирующего лазерного пучка

2.8. Термокапиллярный эффект в жидком слое, стекающем по наклонной плоскости

2.9. Рекомендации по приборной реализации метода фотеконскопии

ГЛАВА III КОНЦЕПЦИЯ И ПРИБОРНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ

МЕТОДА ФОТЕКОНСКОПИИ

3.1. Фотеконскопия: физические основы и принцип измерения

3.2. Математическая модель осесимметричного термокапиллярного течения

3.3. Приборная реализация метода фотеконскопии

3.3.1. Компоновка прибора «Фотекон-02»

3.3.2. Стандартные электронные комплектующие

3.3.3. Материал и конструкция измерительной кюветы

3.3.4. Система термостатирования и генерации тепловых импульсов

3.3.5. Система регистрации и обработки изображения термокапиллярного отклика

3.4. Процедура измерения

3.4.1 .Термостатирование пробы

3.4.2. Влияние вариаций толщины слоя жидкости

3.5. Корреляция параметров фотеконограмм со свойствами жидкости

3.5.1. Физические свойства жидкостей

3.5.2. Процедура регистрации фотеконограмм

3.5.3. Анализ корреляционных зависимостей

3.6. Классификация задач фотеконскопии

3.6.1. Экспресс-идентификация жидкостей на примере нефти)

3.6.2. Способ выявления метилового спирта в жидкостях для стеклоомывателей

3.6.3. Контроль концентрации примесей ароматических углеводородов в триэтиленгликоле

3.6.4. Контроль показателей качества дизельного топлива и мазута

3.7. Перспективы развития метода фотеконскопии

ГЛАВА IV. ДИССИПАТИВНАЯ СТРУКТУРА

КАПЕЛЬНЫЙ КЛАСТЕР»

4.1. Первое наблюдение нового явления

4.2. Условия, необходимые для формирования капельного кластера

4.3. Экспериментальная установка

4.4. Стандартные условия эксперимента

4.5. Тепловое поле в области генерации капельного кластера

4.5.1. Распределение температуры на поверхности слоя жидкости

4.5.2. Распределение температуры в газовой среде, окружающей капельный кластер

4.6. Коэффициент теплообмена капли кластера с газовой средой

4.7. Распределение температуры на поверхности капли кластера

4.8. Конденсационный рост капель кластера

4.9. Термокапиллярные течения в каплях кластера

4.10. Эффект «спонтанной» коалесценции капельного кластера

4.11. Структура паровоздушного потока

4.12. Механизм некоалесценции капель кластера

4.12.1. Эксперименты по воздействию на капельный кластер электростатическим полем

4.12.2. Стоксовский механизм левитации капельного кластера

4.13. Капельный кластер, как диссипативная структура

4.13.1. Механизм диссипации энергии в капельном кластере

4.13.2. Эффект повышения температуры межфазной поверхности после коалесценции капельного кластера

4.14. Механизм структурирования капельного кластера

4.14.1. Центростремительные силы в капельном кластере

4.14.2. Силы отталкивания в капельном кластере

4.15. Практические приложения на основе нового явления 223 4.15.1. Визуализация микромасштабных течений жидкости и газа

4.15.2. Дозирование сверхмалых объемов жидкостей

4.15.3. Контроль содержания аэрозольных частиц в воздухе

Актуальность.

Закономерности процессов тепломассопереноса на межфазных поверхностях жидкость-газ представляют интерес для широкого круга фундаментальных и прикладных задач из разных областей науки и техники [1]. Нередко в этих задачах важную роль играют эффекты Марангони, в частности, термокапиллярные течения, причиной возникновения которых могут быть даже незначительные неоднородности температуры свободной поверхности жидкости: В* наземных условиях роль термокапиллярных течений может быть второстепенной - в случае макромасштабных систем, и доминирующей в таких объектах, как капли, пузырьки, жидкие пленки, мениски смачивания и др.

Термокапиллярный эффект оказывает существенное влияние на производственные процессы лазерной резки и легирования металлов [2-4], нанесения защитных покрытий [5], выращивания кристаллов [6], получения сверхчистых материалов [7]. Активизация исследований эффектов Марангони, которая наблюдается, в настоящее время, стимулируется развитием микрофлюидики [211-213] - междисциплинарного научно-технического направления, играющего ключевую роль в развитии таких высокотехнологичных устройств и систем, как топливные элементы, тепловые трубки, биологические сенсоры, лаборатории на чипе и др.

Активное применение лазеров в самых разнообразных научно-технических задачах привело к тому, что в конце 70-х годов появились публикации [8-11], акцентирующие внимание на возможность использования лазерного луча в качестве уникального «бесконтактного» теплового источника, индуцирующего ТК конвекцию в жидкости, и одновременно, в качестве своеобразного канала сбора информации о жидкости и происходящих в ней процессах.

Идеи некоторых практических приложений эффекта фотоиндуцирован-ной термокапиллярной (ФТК) конвекции встречаются уже в работах, датируемых концом 70-х - серединой 80-х годов XX века, но наиболее активные изыскания, воплотившиеся более чем в десятке изобретений [12-25], начались в конце 90-х годов в Тюменском государственном университете1.

Термокапиллярный эффект, индуцируемый тепловыми импульсами в тонком слое жидкости, лежит в основе фотеконскопии2 - принципиально нового метода производственного контроля показателей качества сырьевых и технологических жидкостей [26-32]. К объектам микрофлюидики также относится открытая автором диссипативная. структура «капельный кластер» [33]. Существование и характерные параметры этой структуры определяются процессами тепломассообмена^ вблизи поверхности испаряющейся жидкости и термокапиллярным эффектом на поверхности микрокапель [34-37]. Интерес к капельному кластеру- обусловлен, во-первых, новизной этого явления, во-вторых, возможностями его применения в методах микродозирования жидкостей, измерения концентрации аэрозольных частиц, визуализации микромасштабных течений на межфазных поверхностях жидкость-газ [38-43].

Цель работы - разработка физических принципов, создание технологий и приборов на основе эффектов и явлений тепломассопереноса, протекающих на межфазной поверхности жидкость-газ тонких слоев жидкостей и микрокапель.

Задачами исследования являлись:

1. Развитие экспериментальных методов исследования процессов тепломассопереноса в микромасштабных жидких объектах;

2. Разработка и экспериментальное обоснование метода анализа свойств жидкостей, основанного на термокапиллярном эффекте;

3. Создание прибора, реализующего новый метод;

1 Лаборатории «Жидкостные микрогравитационные технологии», научный руководитель - к.ф.-м.н., доцент Безуглый Б.А.

2 Концепция метода сформировалась в процессе обобщения опыта исследований эффекта ФОтоиндуцированной ТЕрмокапиллярной КОНвекции.

4. Разработка методик производственного экспресс-контроля показателей качества сырьевых и технологических жидкостей;

5. Комплексное исследование физических механизмов, обеспечивающих формирование и устойчивое существование открытой автором диссипативной структуры «капельный кластер»;

6. Поиск практических приложений нового явления.

Научная новизна заключается в следующем:

1. Предложена и экспериментально обоснована концепция фотеконскопии— метода исследования теплофизических и реологических свойств жидкостей, основанного на эффекте динамической деформации межфазной поверхности жидкость-газ термокапиллярными течениями, в котором источником информации о свойствах жидкости является фотеконограмма - эволюционная зависимость термокапиллярного отклика3.

2. Разработана методика исследования фотоиндуцированного термокапиллярного эффекта в тонком горизонтальном слое жидкости, адаптированная для изучения эволюционных зависимостей параметров термокапиллярного углубления и отклика, включая стадию релаксации течений.

3. Впервые осуществлена приборная реализация метода фотеконскопии: создан многоцелевой анализатор жидкостей, пакет компьютерных программ, управляющих процессами измерения, обработки и хранения экспериментальных данных, а также ряд специализированных методик мультипараметрическо-го производственного контроля показателей качества сырьевых и технологических жидкостей.

4. Открыто явление - диссипативная структура «капельный кластер» - стабильная гексагональная структура из микрокапель конденсата (диаметром 15.150 мкм), располагающихся на расстоянии сопоставимом с диаметром капель над локально нагретой поверхностью испаряющейся жидкости. Создана экспериментальная установка и разработаны методики исследования свойств капельного кластера.

5. Впервые изучены процессы тепломассопереноса и физические механизмы зарождения и устойчивого существования капельного кластера. Описаны и объяснены сопутствующие эффекты образования капельных тандемов, «спонтанной» коалесценции капель кластера, повышения температуры жидкой поверхности в отсутствии капельного кластера.

6. На основе диссипативной» структуры» «капельный- кластер» разработаны-концепции принципиально* новых методов микродозирования жидкостей, контроля концентрации аэрозольных частиц в-воздухе, визуализации-микромасштабных течений вблизи межфазной поверхности жидкость-газ.

Положения, выносимые на защиту:

1. Результаты экспериментальных исследований*фотоиндуцированного термокапиллярного эффекта в тонком горизонтальном слое жидкости;

2. Концепция фотеконскопии - метода исследования жидкостей, в котором используется эффект динамической деформации межфазной поверхности жидкость-газ термокапиллярными течениями, индуцируемыми тепловыми импульсами, а источником информации служит, термокапиллярный.отклик;

3. Результаты исследований и конструкторских разработок, связанные с приборной реализацией метода фотеконскопии;

4. Приоритет открытия диссипативной структуры «капельный кластер»;

5. Результаты экспериментальных, исследований и теоретических оценок процессов тепломассопереноса, в условиях, необходимых для зарождения и устойчивого существования диссипативной структуры «капельный кластер»;

6. Объяснение с позиций теплофизики и гидродинамики физических механизмов возникновения сил, обеспечивающих устойчивое положение микрока

3 Термокапиллярный (ТК) отклик — изображение, получаемое в результате проецирования на экран лазерного пучка, отраженного от жидкой поверхности, локально деформированной термокапиллярными течениями. пель над межфазной поверхностью жидкость-газ и формирование упорядоченной гексагональной структуры капельного кластера;

7. Практические приложения нового явления: методы микродозирования жидкостей, контроля концентрации аэрозольных частиц в воздухе, визуализации микромасштабных течений вблизи межфазной поверхности жидкость-газ.

Достоверность полученных результатов обеспечивается корректностью постановки задач исследования, применением современного высокоточного научно-измерительного оборудования, хорошей воспроизводимостью экспериментальных результатов и соответствием полученных данных и вытекающих из них следствий общепризнанным физическим^представлениям о процессах теп-ломассопереноса на межфазной поверхности жидкость-газ.

Практическое значение. В рамках диссертационной работы получил развитие принципиально новый метод исследования жидкостей, позволяющий за одно измерение получать информацию о комплексе свойств образца, влияющих на термокапиллярный механизм тепломассопереноса. Данный метод реализован в приборе «Фотекон-02», технико-эксплуатационные характеристики которого подтвердили перспективность новой'технологии для решения широкого спектра задач в области производственного контроля свойств сырьевых и технологических жидкостей.

Важным преимуществом новой технологии является возможность эксплуатации приборных комплексов серии «Фотекон» в режиме «офисного оборудования» (т.е. без организации полноценной лаборатории с высококвалифицированным персоналом). Это открывает принципиально новые возможности-для внедрения инновационных методов контроля технологических процессов, повышения качества продукции и эффективности производства, в том числе, на небольших предприятиях, на которых создание стандартных производственных лабораторий считается экономически не обоснованным.

Приборы серии «Фотекон» отмечены золотыми медалями выставок «Инве-стпроектэкспо 2006» (Екатеринбург, 2006) и VII Московского международного салона инноваций и инвестиций (Москва, ВВЦ, 2007). В 2009 г. новая технология признана лучшей инновационной разработкой в Уральском федеральном округе в рамках II Всероссийского молодежного инновационного конвента.

В 2007 г. многоцелевой анализатор жидкостей «Фотекон-Б2» успешно прошел государственную сертификацию * (Сертификат соответствия № РОСС RU.AH25.B00174).

Диссипативная структура «капельный кластер» является основой запатентованных методов микродозирования жидкостей, контроля концентрации-аэрозольных частиц в воздухе, визуализации течений на межфазной поверхности жидкость-газ. Необычные свойства капельного кластера, в сочетании с доступностью оборудования, необходимого для воспроизведения явления, делают его перспективным тестовым объектом для компьютерных программ, моделирующих процессы тепломассопереноса в задачах микрогидродинамики.

Апробация работы. Результаты работы представлялись автором на: Международной конференции «Передовые технологии на пороге XXI века» (Москва, 1998), Международной конференции «Коллоидная» химия, и физико-химическая механика» (Москва, 1998), V Международной конференции «Физика в системе современного образования» (Санкт-Петербург, 1999), III Международном аэрокосмическом конгрессе IAC2000 (Москва, 2000), First Conference of the International Marangoni Association (Giessen, Germany, 2001), IX Межотраслевом научном и методическом семинаре «Теплофизика, гидрогазодинамика, теплотехника» (Тюмень, 2002), 16-ой Европейской конференции по химии межфазных поверхностей (Владимир, 2003), II Всероссийской конференции по космическому материаловедению (Калуга, 2003), Международной конференции «Современные проблемы тепловой конвекции» (Пермь, 2003), International Marangoni Association Congress (Brussels, Belgium, 2004), Всероссийской выставке научно-технического творчества молодежи НТТМ-2005 (Москва, ВВЦ, 2005), Международной конференции «Модернизация образования в условиях глобализации» (Тюмень, 2005), III Евро-Азиатском форуме инвестиций и инноваций «Инвестпроектэкспо 2006» (Екатеринбург, 2006), VII Московском международном салоне инноваций и инвестиций (Москва, ВВЦ, 2007), Международной выставке «Интерполитех-2007» (Москва, ВВЦ, 2007), III Всероссийской конференции с участием зарубежных ученых «Задачи со свободными границами: теория, эксперимент и приложения» (Бийск, 2008), II Всероссийском, молодежном инновационном^ конвенте (Санкт-Петербург, 2009), Всероссийской конференции «XXIX Сибирский теплофизический семинар» (Новосибирск, 2010).

Доклады по материалам диссертации были представлены на: научных семинарах физического факультета Тюменского государственного университета (председатель - академик Р.И. Нигматулин, Тюмень, 2009-2010 г.); научном семинаре Института криосферы Земли СО РАН (председатель* - академик П.И. Мельников, Тюмень, 2010 г.); Городском гидродинамическом семинаре им. F.3. Гершуни и Е.М. Жуховицкого (председатель - д.ф.-м.н. Д.В. Любимов, Пермь, 2010 г.); научном семинаре «Прикладная гидродинамика» Института гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО РАН (председатель - чл.-корр. РАН В.В. Пухначев, Новосибирск, 2010 г.); научном семинаре Института теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН (председатель - чл.-корр. РАН C.B. Алексеенко, Новосибирск, 2010 г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано свыше 60 печатных работ, в том числе 13 статей в центральных российских журналах из списка ВАК, 1 монография, 21 патент РФ на изобретения.

Личный вклад автора заключается в постановке целей и задач исследования, выборе методов их решения, выполнении основной части экспериментов, анализе их результатов, руководстве инженерно-конструкторскими разработками при создании приборов, реализующих метод фотеконскопии.

Благодарности. Автор выражает благодарность доценту, к.ф.-м.н. Б.А. Без-углому, сыгравшему важную роль при выборе направления исследования, также автор признателен академику Р.И. Нигматулину, профессорам А.Б. Шабаро-ву, A.A. Кислицыну, Э.А. Аринштейну за полезные обсуждения результатов исследований, конструктивную критику и ценные советы.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав основного содержания, заключения и списка литературы. Содержит 267 страниц, 135 рисунков, 11 таблиц, 217 библиографических ссылок и 3 приложения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Перечислим основные результаты, полученные в диссертационной работе:

1. Разработаны двухлучевые (с применением мощного индуцирующего и слабого зондирующего лазерных пучков) методики исследования фотоиндуци-рованного термокапиллярного эффекта в тонком горизонтальном слое жидкости, адаптированные для изучения эволюционных зависимостей ТК углубления' и отклика, в том числе, на-стадии релаксации течений.

2. Экспериментально изучено влияние на ТК углубление и отклик основных параметров системы «пучок/слой/подложка»: толщины жидкого слоя, коэффициента поглощения излучения жидкости, теплофизических свойств подложки, мощности индуцирующего пучка, распределения интенсивности зондирующего-пучка и др.

3. Сформулирована концепция фотеконскопии - инновационного метода исследования жидкостей, в котором используется эффект динамической деформации межфазной поверхности жидкость-газ термокапиллярными течениями, индуцируемыми тепловыми импульсами, а источником информации служит эволюционная зависимость ТК отклика — фотеконограмма.

4. По результатам исследований фотоиндуцированного термокапиллярного эффекта определены базовые требования, соблюдение которых является необходимым условием для регистрации воспроизводимых фотеконограмм:

- применение встроенного в подложку нагревателя (отказ от индуцирующего лазерного пучка);

- герметизация и термостатирование образца жидкости во время измерения;

- неконтролируемые вариации толщины слоя жидкости не более ± 50 мкм;

- клиновидность слоя из-за не горизонтальности подложки не более 0.1 град;

- воспроизводимость временных параметров воздействия (длительности импульсов, интервалов между импульсами и т.д.) с точностью не хуже ± 1 мс;

- стабильность мощности генерируемых тепловых импульсов не хуже ± 0.05 % от опорного уровня.

5. Впервые осуществлена приборная реализация метода фотеконскопии -разработан и изготовлен, не имеющий мировых аналогов по физическому принципу измерений, компьютеризированный комплекс на базе анализатора жидкостей «Фотекон-Б2» и пакет программ, контролирующий в автоматическом режиме процессы термостатирования образца, подачи тепловых импульсов, распознавания ТК отклика, построения фотеконограмм, обработки и хранения экспериментальных данных.

6. На основе фотеконскопии разработаны:

- унифицированная5экспресс-методика4 идентификации жидкостей, включая случаи, когда неизвестен даже примерный состав образцов и проблематичен сам выбор традиционных химических и физико-химических методов анализа;

- ряд специализированных методик мультипараметрического производственного контроля показателей качества сырьевых и технологических жидкостей; имеющих большое практическое значение: нефти, дизельного топлива, топочного мазута, триэтиленгликоля и др.

7. Открыто новое явление - диссипативная структура «капельный кластер» - стабильная гексагональная структура из микрокапель конденсата (диаметром 15. 150 мкм), располагающихся на расстоянии сопоставимом с диаметром капель над локально нагретой поверхностью.испаряющейся жидкости.

8. Создана экспериментальная установка и разработан комплекс методик для исследования свойств капельного кластера и процессов тепломассоперено-са, обеспечивающих зарождение и устойчивое существование этой диссипа-тивной структуры.

9. В результате экспериментальных исследований установлено:

- явление имеет теплофизическую природу и может индуцироваться при различных способах нагрева межфазной поверхности жидкость-газ;

- не выявлены эффекты, свидетельствующие об электрическом заряде капель: в частности, на кластер не влияет заземление слоя токопроводящей жидкости и электростатические поля напряженностью до 60 кВ/м;

- существует минимальная температура жидкости, ниже которой капельный кластер не формируется - выпадающие капли конденсата коалесцируют со слоем. Например, при атмосферном давлении и температуре окружающего воздуха порядка 20.25 °С, минимальная температура слоя воды, на поверхности которого может сформироваться капельный кластер, должна быть выше 50 °С;

- для образования капельного кластера в газовой среде над активно испаряющейся жидкой поверхностью должен поддерживаться градиент температуры grad Tg-, превышающий пороговое значение (порядка 30 К/мм). Над однородно нагретой до температуры Ts жидкой поверхностью grad Т^ в несколько раз меньше, чем аналогичный градиент над локально нагретой' поверхностью с максимальной температурой Ts, поэтому, капельные кластеры не образуются над протяженной однородно нагретой поверхностью, даже при активном испарении жидкости;

- в кластере происходит конденсационный рост капель, скорость которого, при прочих равных условиях, пропорциональна мощности теплового источника, генерирующего капельный кластер. Максимальный размер, достигаемый-каплями, также зависит от мощности источника и ограничивается эффектом5 коалесценции капель;

- коэффициент теплообмена между каплями кластера-и окружающей газовой« средой составляет порядка 103 Вт/м2-К и распределение температуры поверхности капли определяется распределением температуры в газовой среде;

- экспериментально измеренный перепад температуры между нижним (наиболее горячим) и верхним (наиболее холодным) участками поверхности капли может достигать нескольких Кельвинов. В этом случае число Марангони для капли имеет значение порядка 350, что существенно превосходит пороговый уровень, при котором в жидкости возникает термокапиллярное течение.

10. Показано, что термокапиллярные процессы на поверхности капель обеспечивают дополнительный перенос энергии, а капельный кластер является типичной диссипативной структурой. Получена теоретическая оценка энергии, рассеиваемой отдельной каплей кластера.

И. Экспериментально измерена скорость испарения слоя воды в условиях, обеспечивающих формирование диссипативной структуры капельный кластер. Показано, что в области локализации капельного кластера скорость паровоздушного потока достаточна для реализации Стоксовского механизма витания капель вблизи жидкой поверхности.

12. Решена аэродинамическая задача обтекания капельного кластера- паровоздушным потоком (трехмерная модель из семи; сфер, образующих гексагональную структуру, расчеты: выполнены' с: применением; программы АК818-СЕХ). Результаты;.моделирования:показали,, что в условиях рассмотренной модели капельного кластера' результирующие аэродинамические силы, действующие на: внешние частицы гексагональной ячейки в горизонтальной плоскости;.на[правлены1 вдоль осещ проходящих через центры капель. По порядку величины эти силы совпадают с экспериментально измеренной силой; ответственнойзаг центростремительное движение капель. При прочих равных условиях, сближение капель вызывает повышение давлениям пространстве между каплями; не оказывая влияния на центростремительные силы. Это- объясняет механизм стабилизации положения капель в горизонтальной плоскости, а- также; природу гексагональной структуры кластера.

13: Описан и.объяснен»ряд.сопутствующих явлению физических эффектов:

- эффект спонтанного разрушения капельного кластера;

- два типа тандем-эффектов;

- эффект повышения температуры межфазной поверхности при разрушении капельного кластера.

14. ' Сформулированы концепции и на примере модельных экспериментов подтверждена физическая реализуемость принципиально новых методов:

- микродозирования жидкостей;

- контроля концентрации аэрозольных частиц в воздухе;

- визуализации микромасштабных течений вблизи межфазной поверхности жидкость-газ.

1. Berg, J. С. Interfacial hydrodynamics: An Over View / J. C. Berg // Canadian Metallurgical Quarterly. 1982. - Vol. 21, № 2. - P. 121-136.

2. Антонова, Г.Ф. Развитие многовихревого течения расплава нержавеющей стали при лазерном воздействии на поверхность / Г.Ф. Антонова, Г.Г. Гладуш, Ф.К. Косырев и др. // Квантовая электроника. 1998. - № 5. -С. 443-446.

3. Сейдгазов, Р.Д. Термокапиллярный механизм глубокого проплавле-ния материалов лазерным излучением / Р.Д. Сейдгазов, Ю.М. Сенатров // Квантовая электроника. -1988.-№3.-С. 622-624.

4. Майоров, B.C. Влияние поверхностно-активных веществ на гидроди-i намику лазерного легирования металлов / B.C. Майоров, М.П. Матросов //

5. Квантовая электроника. 1989. - № 4. - С. 806-809.

6. Яковлев, А.Д. Химия и технология лакокрасочных покрытий / А.Д. Яковлев. 3-е изд., перераб. - СПб.: ХИМИЗДАТ, 2008. - 448с.

7. Berdnikov, V. S. Heat exchange in the classical czochralski method / V. S. Berdnikov, V. V. Vinokurov, V. I. Panchenko, S. V. Solov'ev // Journal of Engineering Physics and Thermophysics. 2001. - Vol. 74, № 4. - P. 1007-1014.

8. Космическое материаловедение: Введение в научные основы космической технологии / Б.Фойербахер, Р.И. Науман, Г. Хамакер и др. под ред. Б. Фойербахера. -М.: Мир, 1989. 478 с.

9. Da Costa, G. Self-holograms of laser induced surface depression in heavy hydrocarbons / G. Da Costa, J. Calatroni // Appl. Opt. -1978. Vol. 17, № 15. -P. 2381-2385.i

10. Безуглый, Б.А. Капиллярная конвекция, управляемая тепловым дейст-^ вием света, и ее применение в способах регистрации информации:

11. Дис.канд. физ.-мат. наук / Б.А. Безуглый. Москва, 1983. - 270 с.

12. Da Costa, G. Transient deformation of liquid surfaces by laser-induced thermocapillarity/ G. Da Costa, J. Calatroni // Appl. Opt. 1979. - Vol. 18, № 2. -P. 233-235.

13. Da Costa, G. Competition between capillary and gravity forces in a viscous liquid film heated by a Gaussian laser beam / G. Da Costa // J. Physique. -1982.-Vol. 43, №10.-P. 1503-1508.

14. Фотоиндуцированные капиллярные эффекты: новые области применения / Б.А. Безуглый, A.A. Федорец, O.A. Тарасовки др. // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. -2004. № 6: -С. 82.

15. Пат. 2149353 Россия, МПК7 G 01 В 11/06. Способ измерения толщины тонкого слоя прозрачной жидкости/ Б.А. Безуглый, O.A. Тарасов, A.A. Федорец, С.В: Шепеленок. Опубл. 20.05.00, Бюл. № 14. - 4 с.

16. Пат. 2163712 Россия, МПК7 G 01 J 1/00. Способ измерения и контроля мощности лазерного излучения и устройство для его осуществления/ Б.А. Безуглый, A.A. Федорец. Опубл. 27.02.2001-, Бюл. №6.-4 с.

17. Пат. 2158898 Россия, МПК7 G 01 В 11/16, 9/02. Способ бесконтактного контроля плоскостности поверхности / Б.А. Безуглый, O.A. Тарасов, A.A. Федорец. Опубл. 10.11.2000, Бюл. № 31. - 3 с.

18. Пат. 2165071' Россия, МПК7 G 01 В 11/16. Способ измерения толщины тонкого слоя прозрачной'жидкости / Б.А. Безуглый, A.A. Федорец. -Опубл. 10.04.2001, Бюл. № 10. 3 с.

19. Пат. 2165073 Россия, МПК7 G 01 С 9/18. Способ контроля горизонтальности поверхности / Б.А. Безуглый, A.A. Федорец. Опубл. 10.04.2001, Бюл. № 10.-4 с.

20. Пат. 2169049 Россия, МПК7 В 08 В 1/00, F 16 L 58/00. Способ очистки твердой поверхности от жидких загрязнений в виде пленки смачивания или капель / Б.А. Безуглый, A.A. Федорец. Опубл. 20.06.2001, Бюл. № 17. -4 с.

21. Пат. 2178155 Россия, МПК7 G 01 J 1/00. Способ измерения мощности лазерного пучка и энергии лазерного импульса / Б.А. Безуглый, A.A. Федорец. Опубл. 10.01.2002, Бюл. № 1. -4 с.

22. Пат. 2201587 Россия, МПК7 G 01 N 11/00. Бесконтактный способ измерения вязкости / Б.А. Безуглый, A.A. Федорец. Опубл. 27.03.2003, Бюл. №9.-3 с.

23. Пат. 2215315 Россия, МПК7 G 02 F 1/315. Класс жидкостей для пузырьковых оптических переключателей / Б.А. Безуглый, A.A. Федорец. -Опубл. 27.10.2003, Бюл. № 30. 3 с.

24. Пат. 2256562 Россия, МПК7 В 44 F 1/00, G 09 F 19/12. Термокапиллярный способ создания световых спецэффектов и устройство для его осуществления / A.A. Федорец. -Опубл. 20.07.2005, Бюл. № 20. 3 с.

25. Федорец, A.A. Фотоиндуцированный термокапиллярный эффект и его применение для измерения свойств жидкостей: Дис.канд. физ.-мат. наук: 02.00.04 / A.A. Федорец. Тюмень, 2002. - 146 с.

26. Федорец, A.A. Фотеконскопия: новый экспресс-метод идентификации и контроля качества жидкостей / A.A. Федорец // Международная, конференция Модернизация образования в условиях глобализации: Тезисыt докладов. Тюмень, 2005. - С. 103-104.t

27. Федорец, A.A. Всероссийская выставка научно-технического творчества молодежи НТТМ-2005; Фотекон-Д1 / A.A. Федорец, П.Ю. Бакин,

28. Федорец, A.A. О ■ возможности измерения температуропроводности жидкости по фотеконограмме / A.A. Федорец, П.Ю; Бакин, Э.Э. Колмаков // Вестник ТюмГУ. 2009. - № 6. - С. 118-124.

29. Федорец; A.A. Фотекон-Dl / A.A. Федорец, П.Ю. Бакин, B.C. Буторин // Всероссийская выставка научно-технического творчества молодежи НТТМ-2005. Mi: ОАО «ГАО ВВЦ», 2005. -С. 335-336.

30. Аринштейн; Э:А. Механизм рассеяния энергии капельным кластером / Э.А. Аринштейн, A.A. Федорец // Письма в ЖЭТФ. -2010. № 10.1. C. 726-729.

31. Кислицын, A.A. Аэродинамическая модель устойчивости капельного кластера / A.A. Кислицын, B.C. Пак, A.A. Федорец // Вестник ТюмГУ. -2009.-№ 6.-С.118-124.

32. Федорец, A.A. О механизме некоалесценции в капельном кластере / A.A. Федорец // Письма в ЖЭТФ. 2005. - № 8. - С. 457-459.

33. Пат. 2271519 Россия, МПК7 G 01 F 13/00. Способ сверхточного дозирования жидкостей / A.A. Федорец. Опубл. 10.03.2006, Бюл. № 7. - 4с.

34. Пат. 2333465 Россия, МПК7 G 01 F 13/00. Способ сверхточного микродозирования растворов лекарственных препаратов и биологически-активных веществ / A.A. Федорец. Опубл. 10.09.2008, Бюл. № 25. - 2 с.

35. Пат. 2296954 Россия, МПК7 G 01 F 1/704. Применение капельного кластера для визуализации структуры течений в слое газа, граничащем с жидкой поверхностью / A.A. Федорец. Опубл. 10.04.2007, Бюл. № 10. —3 с.

36. Федорец, A.A. О применении капельного кластера для визуализации микромасштабных течений жидкости и газа / A.A. Федорец // Известия РАН. Механика жидкости и газа. 2008. - № 6. - С. 97-100.

37. Пат. 2383005 Россия, МПК7 G 01 N 21/53. Измеритель запыленности воздуха/A.A. Федорец. Опубл. 27.02.2010, Бюл. №6.-5 с.

38. Пат. 2350929 Россия, МПК7 G 01 N 21/53. Способ контроля запыленности воздуха / A.A. Федорец, Э.Э. Колмаков, П.Ю. Бакин. Опубл. 27.03.2009, Бюл. №9.-5 с.

39. Scriven, L.E. The Marangoni Effects / L.E. Scriven, C.V. Sternling // Nature.- 1960.-Vol. 187. -P. 186.

40. Гетлинг, A.B. Конвекция Рэлея-Бенара. Структуры и динамика / A.B. Гетлинг. М.: Эдиториал УРСС, 1999. - 248 с.

41. Tomson, J. // Phil. Mag., Ser. 4. 1855 - Vol. 10. - Р. 330.

42. See Quekett, J. Practical Treatise on the Use of the Microscope / J. See Quekett. third ed. - H. Bailliere, London, 1855. - 483 p.

43. Weber, E.H. // Ann. Phys. 1855. - Vol. 94. - P. 447.

44. Bois-Reymond, P. // Ann. Phys. 1858. - Vol. 104. - P. 193.

45. Ludtge, F.H.R. // Ann. Phys. 1869. - Vol. 137. - P. 362.

46. Quincke, G.//Ann. Phys.-1870.-Vol. 139.-Р. 1.

47. Tomlison, C. // Phil. Mag., Ser. 4. 1864. - Vol. 27. - P. 528.

48. Bikermann, J. J. Surface Chemestry / J. J. Bikermann. Academic Press, New York, 1947.- 81 p.

49. Bénard, H. // Rev. Générales Sei. pures et appliqués. 1900. - Vol. 11.— P. 1261.

50. Bénard, H. // Ann. Chem. Phys. Ser. 7. 1901. - Vol. 23. - P. 62.

51. Block, M.J. //Nature. 1956. - Vol. 178. - P. 650.

52. Pearson, J.R.A. // J. Fluid Mech. 1958. - Vol. 4. - P. 489.

53. Loewenthal, M. // Phil. Mag., Ser. 7. 1931. - Vol. 12. - P. 462.

54. Lengmuir, I. and Lengmuir, D.B.// J. Phys. Chem. -1927. -Vol. 31. P. 1719.

55. Jebson-Marwedel, H. // Glastech. Berichte. 1956. -Vol. 29. - P. 233.

56. Jebson-Marwedel, H. // J. Soc. Glass. Tech. 1937. -Vol. 21. -P. 436.

57. See Bikermann, J.J. Surface Chemistry / J.J. See Bikermann. second ed. - Academic Pres, New York, 1958. - 84 p.

58. Sears, G.W. // J. Chem. Phys. 1957. -Vol. 26. -P. 1549.

59. Quincke, G. // Ann. Phys. 1888. -Vol. 35. -P. 580.

60. Mudd, S. and Mudd, E.B.H. // J. Exp. Med. 1924. -Vol. 40. - P. 633.

61. Zuiderwerg, F.J. and Harmens, A. // Chem. Eng. Sei. -1958. -Vol. 9. -P.89.

62. Ewers, W.E. and Sutherland, K.L. // Austral. J. Sei. Res., A. 1952. -Vol. 5.-P. 697.

63. Kitchener, J.A. and Cooper, C.F. // Quart. Revs. -1959. -Vol. 13. -P. 71.

64. Hershey, A.V. // Phys. Rev. 1939. -Vol. 56. - P. 204.

65. Skogen, N. // Amer. J. Phys. 1958. -Vol. 26. - P. 25.

66. Lewis, J.B. and Pratt, H.R.C. //Nature. 1953. -Vol. 171. -P. 1155.

67. Haydon, D.A. // Proc. Roy. Soc., A. 1958. -Vol. 243. - P. 483.

68. Davies, T.V. and Haydon, D.A. // Proc. Roy. Soc., A. 1958. -Vol. 243. -P. 492.

69. Sternling, C.V. and Scriven, L.E. // Amer. Inst. Chem. Eng. J. 1959. -Vol. 5.-P. 514.

70. Plateau, J.A.F. Statique experimentale et theorique des liquides soumis aux seules forces moléculaires / J.A.F. Plateau. Gauthier-Villars, Paris, 1873.

71. Франк-Каменецкий, Д.А. Диффузия и теплопередача в химической кинетике / Д.А. Франк-Каменецкий. 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Наука, 1987.-502 с.

72. Schwindt, W. and Stuke, W. // Proc. Second Intern. Congr. Surface Activity. Academic Près, New York, 1957. - P. 482.

73. Hickmann, K.C.D. and Torpey W.A. // Ind. Eng. Chem. -1954. -Vol. 46. -P. 1446.

74. Aitken, J. // Proc. Roy. Soc. Edin. 1882/83. -Vol. 12. - P. 56.

75. Fedosov, A.I. // Zh. fiz. Khim. 1956. -Vol. 30. - P. 223.

76. Lamb, H. Hydrodinamics / H. Lamb. sixth ed. - Dover Publications, New York, 1945.- 738 p.

77. Oldroyd, J.G. // Proc. Roy. Soc., A. 1955. -Vol. 232. - P. 567.

78. Nawab, M.A. and Mason, S.G. // Trans. Faraday Soc. 1958. -Vol. 54. -P. 1712.

79. Tait, P.G. // Proc. Roy. Soc. Edin. 1890. -Vol. 17. - P. 110.

80. Basset, A.B. Treatise on Hydrodinamics, 2 / A.B. Basset. Bell, London, 1888.-346 p.

81. Boussinesq, J. // Ann. Chim. Phys., Ser. 8.-1913. -Vol. 29. P. 349.

82. Новиков, И.И. Теория подобия в термодинамике и теплопередаче / И.И. Новиков, В.М. Боришанский. -М.: Атомиздат, 1979. 184 с.

83. Xu, J-J. Convective thermocapillary instabilities in liquid bridges / J-J. Xu, S.H. Davis // Phys. Fluids. 1984. - Vol. 27. - P. 1102-1107.

84. Taylor, G.J. The stability of a horizontal fluid interface in a vertical electric field / G J. Taylor, A.D. McEwan // J. Fluid Mech. 1965. -Vol. 22. - P. 1.

85. Miller, C. A. Stability of interfaces / C. A. Miller // Surface and Colloid Science. 1978. -Vol. 10. - P. 277.

86. Taylor, G.I. //Proc. R. Soc. A. -1966. -Vol. 291. P. 159.

87. Brimacombe J. К. and Weinberg F. // Metall. Trans. -1972. Vol. 3. - P. 2298.

88. Matanabe A., Higashitsuji K. and Nishizawa K. // J. Coll. Interf. Sci. -1978.-Vol. 64.-P. 278.

89. Linde, H. Dissipative structures and nonlinear kinetics of the Marangoni instability / H. Linde,. P. Schwartz, H. Wilke // In Lecture Notes in Physics No. 105: Dynamics and Instability of fluid Interfaces. Springer-Yerlag, 1979. - P. 75-119.

90. Ferziger, J.H. Computation Methods for Fluid Dynamics / J.H. Ferziger, M. Peric. 3rd Edition. - Berlin: Springer, 2002. - 423 p.

91. Ландау, Л.Д. Теоретическая физика. Том VI. Гидродинамика / Л; Д. Ландау, В. М: Лифшиц. 4-е стереот. изд. - М.: Наука, 1988.-73 6с.

92. Лаврентьев, М.А. Проблемы гидродинамики и их математические модели / М.А. Лаврентьев, Б.В. Шабат. М.: Наука, 1973. - 416 с.

93. Бетяев, С.К. Гидродинамика: проблемы и парадоксы / С.К. Бетяев // УФН. 1995. - Т. 165, №3. - С. 299-330.

94. Роуч, П. Вычислительная гидродинамика / П. Роуч. М.: Мир, 1980.-618 с.

95. Флетчер, К. Вычислительные методы в динамике жидкостей, Т. 1, 2 / К. Флетчер. М.: Мир, 1991.-504 с.

96. Современные математические модели конвекции / В.К. Андреев, Ю.А. Гапоненко, О.Н. Гончарова и др. -М.: ФИЗМАТЛИТ, 2008. 368 с.

97. Гетлинг, А.В. Формирование пространственных структур конвекции Рэлея-Бенара / А.В. Гетлинг // УФН. 1991. - Т. 161, №9. - С. 1-80.

98. Chen, F.S. Effect of surface tension on the onset of convection in a double-diffusive layer / F.S. Chen, F.T. Su // Phys. Fluids A. 1992. - Vol. 4. - P. 2360-2367.

99. Chen, C.F. Effect of surface tension on the stability of a binary fluid layer under reduced gravity / C.F. Chen, C.C. Chen // Phys. Fluids. 1994. - Vol. 6. -P. 1482-1488.

100. Бирих, P.B. Марангони-неустойчивость бинарной смеси в системе с плоской границей раздела / Р.В. Бирих, С.В. Бушуева, Р:Н. Рудаков // В,сб. Термо- и концентрационно-капиллярные эффекты в сложных системах. — Екатеринбург: УрО РАН, 2003. С. 12-20.

101. Брискман, В.А. Термокапиллярная неустойчивость в слое с внутренними источниками тепла / В'.А. Брискман, В.И. Якушин // В сб. Термо- и концентрационно-капиллярные эффекты в сложных системах. Екатеринбург: УрО РАН, 2003. - С. 34-43.

102. Чернатынский, В.И. Численное исследование термокапиллярной конвекции в области мениска / В.И. Чернатынский, Д. Швабе, X. Бах // В сб. Термо- и концентрационно-капиллярные эффекты в сложных системах. -Екатеринбург: УрО РАН, 2003. С. 68-76.

103. The effect of gravity modulation on thermosolutal convection in infinity layer of fluids /B.V. Saunders, B.T. Murray, G.B. McFadden, S.R. Coriell, A.A. Wheeler // Physics of Fluids A. 1992. - Vol. 4, № 6. - P. 1176-1189.

104. Зеньковская, C.M. О возникновении конвекции многокомпонентной жидкости при действии высокочастотной вибрации / С.М. Зеньковская // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 1998. - Т. 34, № 1. - С. 68-77.

105. Нигматулин, Р.И. Динамика многофазных сред. Часть I / Р.И. Ниг-матулин. -М.: Наука, 1987. 175 с.

106. Hinkebein Т. Е. and Berg J. С. // Int. J. Heat Mass Transfer. 1978. -Vol. 21.-P. 1241.

107. Berg, J.C. Natural convection in pools of evaporating liquids / J.C. Berg,

108. A. Acrivos, M. Boudart // J. Fluid Mech. 1966. - Vol. 24. - P. 721-735.

109. Поверхностные явления и поверхностно-активные вещества: Спр. Под ред. A.A. Абрамзона, Е.Д. Щукина. Л.: Химия, 1984. - 392 с.

110. Безуглый, Б.А. Лазерный метод измерения толщины тонкого слоя жидкости на твердой поверхности с помощью термокапиллярного отклика / Б.А. Безуглый, A.A. Федорец // Письма в журнал технической физики. -2001.-№ 9.-С. 20-25.

111. Безуглый, Б.А. Усовершенствованный метод наклонной пластинки измерения краевого угла смачивания / Б.А. Безуглый, O.A. Тарасов, A.A. Федорец // Коллоидный журнал. 2001. - № 6. - С. 735-741.

112. Альварес-Суарес, Ю.С. Теоретическое и экспериментальное исследование конвекции в слое жидкости при локальном нагреве / Ю.С. Альварес-Суарес, В.М. Рязанцев, В.М. Шевцова // Прикладная механика и техническая физика. 1990. - № 2. - С. 53-57.

113. Безуглый, Б.А. Контактное измерение температуры подложки в зоне облучения при фотоиндуцированной термокапиллярной конвекции в тонком слое прозрачной жидкости / Б.А. Безуглый, В.М. Флягин // Письма в ЖТФ. 2006. - № 15.-С. 82- 87.

114. Низовцев, В.В. Исследование стимулированной локальным s облучением и естественной конвекции в тонком слое испаряющейся жидкости /

115. B.В. Низовцев // Прикладная механика и техническая физика. 1989. - № 1. -С. 139-145.

116. Фотоиндуцированная капиллярная конвекция: Отчет о НИР / Б.А. Безуглый, A.A. Федорец, O.A. Тарасов, C.B. Шепеленок, H.A. Иванова. № ГР 01.99.00 04786; Инв. № 0299.00 05481. - Деп. в ВИНИТИ, 1999.-40 с.

117. Флягин, В.М. Гидродинамические характеристики термокапиллярного вихря в тонком слое жидкости на твердой поверхности: Дис.канд. физ.-мат. наук / В.М. Флягин. Тюмень, 2006. - 109 с.

118. Альварес-Суарес, Ю.С. О термокапиллярном движении, вызванном локальным нагревом жидкости импульсом ультрафиолетового излучения / Ю.С. Альварес-Суарес, В.М. Рязанцев // Механика жидкости и газа. 1986. -№ 6. - С. 165-168.

119. Индейкина, А.Е. Нестационарная термокапиллярная конвекция в слое неравномерно нагретой жидкости / А.Е. Индейкина, Ю.С. Рязанцев, В.М. Шевцова //Механика жидкости и газа. 1991. - № 3. - С. 17-25.

120. Helmers, Н. Holographic study of laser-induced liquid surface deformations / H. Helmers, W. Witte // Optics Comm. 1984. -Vol. 49, № 1. - P. 21-23.

121. Визнюк, C.A. О термокапиллярном самовоздействии лазерного излучения в тонких слоях поглощающей жидкости / С.А. Визнюк, А.Т. Сухо-дольский // Квантовая электроника. -1988.-№4.-С. 767- 770.

122. Безуглый, Б.А. Термокапиллярная деформация тонкого слоя жидкости, вызванная пучком лазера / Б.А. Безуглый, Н.А. Иванова, А.Ю. Зуева // Прикладная механика и техническая физика. 2001. - № 3. - С. 130-134.

123. Физические величины: Справочник / под ред. И.С. Григорьева. М.: Энергоатомиздат, 1991. - 1232 с.

124. Низовцев, В.В. Капиллярная конвекция в жидком слое при лазерном облучении / В.В. Низовцев // Инженерно-физический журнал. 1988. - № 1. -С. 85-91.

125. Calatroni, J. Interferometric determination of the surface profile of a liquid heated by a laser beam / J. Calatroni, G. Da-Costa // Optics commun. 1982. -Vol. 42, № l.-P. 5-9.

126. Viznyuk, S.A. On thermocapillary aberrational transformation of laser beams / S.A. Viznyuk, S.F. Rastopov and A.T. Sukhodol'skii // Optics commun. -1989. -Vol. 71, № 5. P. 239-243.

127. Da Costa, G. Laser induced thermohydrodynamic effect in thin liquid membranes / G. Da Costa, F. Bentolila, E. Ruiz // Phys. Lett A. 1983. -Vol. 95, №6-P. 313-315.

128. Da Costa, G. Thermocapillaiy self-focusing of a laser beam: a theoretical analysis / G. Da Costa // Phys. Lett A. 1980. -Vol. 80, №4. - P. 323-24.

129. Ахманов, C.A. Физическая оптика: Учебник / С. А. Ахманов, С. Ю. Никитин. 1-е изд.- М.: Изд-во Моск. Ун-та, 1998. - 656 с.

130. Безуглый, Б.А. Применение фотоиндуцированного термокапиллярного эффекта для измерения энергетических параметров лазерного пучка / Б.А. Безуглый, А.А. Федорец // Вестник ТюмГУ. 2002. - № З: - С. 118-124.

131. Безуглый, Б.А. Применение- термокапиллярного эффекта для- усовершенствования метода наклонной? пластинки измерения, краевых углов смачивания / Б.А. Безуглый, О.А. Тарасов; А.А. Федорец // Вестник ТюмГУ. -2000. -№ 3. С. 64-67.

132. Безуглый, Б.А. Применение термокапиллярного эффекта для измерения толщины тонкого слоя жидкости / Б.А. Безуглый, О.А. Тарасов, А.А. Федорец//Вестник ТюмГУ.-2000.-№ 3. С. 64-67.

133. Bezuglyi, B.A. Laser diagnostics of liquids and its layers / B.A. Bezuglyi, A.A. Fedorets, O.A. Tarasov // First Conference of the International Marangoni Association. Giessen, Germany, 2001. - P. 116.

134. Bezuglyi, B.A. Application of the photoinduced capillaiy phenomena in liquid microgravity technologies / B.A. Bezuglyi, A.A. Fedorets, N.A. Ivanova // First Conference of the International Marangoni Association. Giessen, Germany, 2001.-P. 116.

135. Bezuglyi, B.A. Photoinduced capillary effect in the momls-technologies / B.A. Bezuglyi, A.A. Fedorets, N.A. Ivanova, O.A. Tarasov // First Conference of the International Marangoni Association. Giessen; Germany, 2001. - P. 116:

136. A.c. 838339 СССР, МКИ3 G Ol С 9/12. Двухкоординатный наклономер / Б.Т. Воробьев и др. Опубл. 15.06.1981, Бюл.№ 22.- 4 с.

137. A.c. 767515 СССР; МКИ3 G 01 С 9/12. Двухкоординатный наклономер / Р.Ю: Бансевичюс, A.B. Бусилас, К.М; Рагускис. Опубл. 30.09.1980, Бюл. № 36. - 3 с.

138. A.c. 1530901 СССР, МКИ4 G 01 С 9/14. Радиальный наклономер / М.А. Павлюсюк. Опубл. 23.12.1989, Бюл. №47. -3 с.

139. A.c. 528447 СССР,1 МКИ2 G 01 С 9/18. Гидростатический наклономер / М:А. Павлюсюк. Опубл. 15.09.1976, Бюл. № 34. - 2 с.

140. Математическая модель термокапиллярной конвекции: Зуева А.Ю. / Под ред. В.Н. Кутрунова, Б.А. Безуглого. Тюмень: Издательство* «Вектор Бук», 2006. - 48 с.152. http://vmw.flir.com/WorkAre 0002.

141. Варгафтик, Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей / Н.Б. Варгафтик. М.: Наука, 1972. - 720 с.

142. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии: Учебное пособие для вузов / Под ред. чл. кор. АН СССР П.Г. Ро-маненкова. 10-е. изд., перераб. и доп. - JL: Химия, 1987. — 576 с.

143. Потехина, А.А. Свойства органических соединений / А.А. Потехина. -Л.: Химия, 1984.-519 с.

144. Корн, Г. Справочник по математике / Г. Корн, Т. Корн. М.: Наука, 1973.-832 с.

145. Бекиров, Т.М. Технология обработки газа и конденсата / Т.М. Беки-ров, F.A. Ланчаков. М.: ООО «Недра-Бизнесцентр», 1999. -596 с.

146. Жданова, Н.В. Осушка углеводородных газов / Н.В. Жданова, А.Л. Халиф. -М.: Химия, 1984. -192 с.

147. Кэмпбелл, Д.М. Очистка и переработка природных газов / Д.М. Кэмпбелл. М.: Недра, 1977.-314 с.

148. Коуль, А.Л. Очистка газа / А.Л. Коуль, Ф.С. Ризенфельд.- М.: Недра, 1986.-392 с.

149. Кутателадзе, Ç.C. Основы теории теплообмена / С.С. Кутателадзе. — 5-е изд., перераб. и доп. М.: Атомиздат, 1979. - 416 с.

150. ГОСТ 305-82. Топливо дизельное. Технические условия.

151. ГОСТ 10585-99. Топливо нефтяное. Мазут. Технические условия.

152. Fedorets, А.А. Droplet cluster: new capillary phenomenon / А.А. Fe-dorets // IMA-2. Book of Abstracts. Université Libre de Bruxelles, Microgravity Research Center, 2004. - P. 20.

153. Шефер, В. Наблюдения над утренней чашкой кофе / В. Шефер // Успехи физических наук. 1972. - № 3. - С. 577-580.

154. Ивлев, Л.С. Физика атмосферных аэрозольных систем / Л.С. Ивлев, Ю.А. Довгалюк. СПб.: НИИХ СПбГУ, 1999. - 194 с.

155. Фукс, Н.А. Испарение и рост капель в газовой среде / Н.А. Фукс. -М.: Издательство академии наук СССР, 1958 93 с.

156. Экспериментальное и численное исследование нестационарного испарения капель жидкости / В.И. Терехов, В.В. Терехов, Н.Е. Шишкин, К.Ч. Би // ИФЖ. 2010. - Т. 83, № 5. - С. 829-836.

157. Уизем, Дж. Линейные и нелинейные волны / Дж. Уизем. М.: Мир, 1977.-624 с.

158. Левич, В.Г. Физико-химическая гидродинамика / В.Г. Левич. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Государственное издательство физико-математической литературы, 1959. - 700 с.

159. Дерягин, Б. О причине неслияния жидких капель при контакте / Б. Дерягин, П. Прохоров // Доклады АН СССР. 1946. -Т. 54, №6. -С. 511-514.

160. Ролдугин, В.И. Физикохимия поверхности: Учебник-монография / В.И. Ролдугин. Долгопрудный: Издательский дом «Интеллект», 2008. — 568 с.

161. Dell'Aversana, P. Behavior of noncoalescing and nonwetting drops in stable and marginally stable states / P. Dell'Aversana, G.P. Neitzel // Experiments in Fluids. 2004. -Vol. 36. - P. 299-308.

162. Саранин, В.А. О возможности левитации капель в атмосфере при их индукционной зарядке в электрическом поле в условиях неоднородного испарения / В.А. Саранин // ЖТФ. 1998.- Т. 68, №2.- С. 16-21.

163. New features of drops dynamics under Marangoni effect / R. Savino, R. Monti, D. Paterna, M. Lappa // Rec Res Dev Fluid Dyn. 2000. -Vol. 3, №15. -P. 32.

164. Ландау, Л.Д. Электродинамика сплошных сред / Л.Д. Ландау, Е.М. Лифшиц. -М.: Наука, 1982. -620 с.

165. Dong, Y. Charge separation by ice and water drops during growth and evaporations / Y. Dong, J. Hallett // J. Geophys. Res. 1992. - Vol. 97, № D18. -P. 20361-20371.

166. Шавлов, A.B. Механизм межфазной электризации при испарении и конденсационном росте льда и воды / А.В. Шавлов // Криосфера Земли. — 2008. -Т. 12, № 2. С. 52-59.

167. Федорец, A.A. Механизм витания капельного кластера / A.A. Федорец, И.В. Марчук, O.A. Кабов // XXIX Сибирский теплофизический семинар: Сб. тезисов докладов Всерос. конф. — Новосибирск: Изд-во Института теплофизики СО РАН, 2010. С. 207-208.

168. Шлихтинг, Г. Теория пограничного слоя / Г. Шлихтинг. М.: Наука, 1974.-217 с.

169. Николис, Г. Самоорганизация в неравновесных системах: От дисси-пативных структур к упорядоченности через флуктуации. / Г. Николис, И. Пригожин. -М.: Мир, 1979. 512 с.

170. Кернер, Б.С. Самоорганизация в активных распределенных средах / Б.С. Кернер, В.В. Осипов // УФН. 1990. -Т. 160, № 9. -С. 1-73.

171. Мизев, А.И. Экспериментальное исследование термокапиллярной конвекции, индуцированной локальной температурной неоднородностью вблизи поверхности жидкости. 1. Твердотельный источник тепла / А.И. Мизев // ПМТФ. 2004. - Т. 45. № 4. - С. 36-49.

172. Ван Дайк. Альбом течений жидкости и газа / Ван Дайк. М.: Мир, 1986.-184 с.185. http://www.microparticles.de

173. Sinton, D. Microscale flow visualization / D. Sinton // Microfluid Nan-ofluid. 2004. - Vol. 1. - P. 2-21.

174. Particle imaging techniques for microfabricated fluidic systems / S. De-vasenathipathy, J.G. Santiago, S.T. Wereley, C.D. Meinhart, К. Takehara// Experiments in Fluids. -2003. Vol. 34. - P. 504-514.

175. Иваницкий, Г.Р. Структуры на поверхности воды, наблюдаемые с помощью инфракрасной техники / Г.Р. Иваницкий, A.A. Деев, Е.П. Хижняк //УФН.-2005.-Т. 175, №11.-С. 1207-1216.

176. А. с. 1767346 СССР, МКИ5 G 01 F 11/00, F 04 В 43/12. Дозатор перистальтического типа / К.Г. Кахеладзе, Д.С. Саттаров, Т.Б. Дзагания и др. -Опубл. 07.10.1992, Бюл. № 37. 1 с.

177. А. с. 1817830 СССР, МКИ5 в 01 Б 11/00. Дозатор жидкости / А.Г. Лукин. Опубл. 23.05.1993, Бюл. № 19. - 3 с.

178. А. с. 1825984 СССР, МКИ5 в 01 Б 11/00. Устройство для микродозирования / И.В. Кириченко, Г.С. Фролов. Опубл. 07.07.1993, Бюл. № 25. -3 с.

179. А. с. 629451 СССР, МКИ2 в 01 Б 11/00 А 61 М 5/28. Микродозатор / Г.Н. Бобров, М.И. Шишков. Опубл. 25.10.1978, Бюл. № 39. - 2 с.

180. А. с. 1719908 СССР, МКИ5 в 01 Б 11/00. Микродозатор / Е.И. Щед-роткин, А.С. Марин, В.В. Афанасьев.-Опубл. 15.03.1992, Бюл. №10.^1с.

181. Райст, П. Аэрозоли / П. Райст. М.: Мир, 1987. - 280 с.

182. МР 1.2.2639-10. Использование методов количественного определения наноматериалов на предприятиях наноиндустрии.

183. Контроль химических и биологических параметров окружающей среды / Под ред. Исаева Л.К. СПБ.: Эколого-аналитический информационный центр "Союз", 1998. - 896 с.

184. Ривкин, С.Л. Теплофизические свойства воды и водяного пара / С.Л. Ривкин, А.А. Александров. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Энерго-атомиздат, 1984. - 79 с.

185. Уайт, В. Технология чистых помещений. Основы проектирования, испытаний и эксплуатации / В. Уайт. М.: Клинрум, 2002. - 304 с.

186. Проектирование чистых помещений / Под ред. В. Уайта. М.: Клинрум, 2004. - 360 с.

187. Хаппель, Дж. Гидродинамика при малых числах Рейнольдса / Дж. Хаппель, Г. Бреннер. М.: Мир, 1976 - 631 с.

188. Пухначев, В.В. Движение вязкой жидкости со свободными границами /В.В. Пухначев. Новосибирск: НГУ, 1989. -96 с.

189. Колесникова, Л.П. Газовая хроматография в исследованиях природных газов, нефтей и конденсатов / Л.П. Колесникова. М.: Недра, 1972. -135 с.

190. Westerweel, J. Digital Particle Image Velocimetry Theory and Application / J. Westerweel. - Delft: Delft University Press, 1993. - 235 p.

191. Маркович, Д!М. Алгоритмы реконструкции трехкомпонентного поля скорости в методе Stereo PIV / Д.М. Маркович, М.П. Токарев // Вычислительные методы и программирование. 2008. - Т.9. - С. 311-326.

192. Tabeling, P. Introduction to microfluidics / P. Tabeling. Oxford University Press, 2005. - 301 p.

193. Hardt, S. Microfluidic technologies for miniaturized analysis systems / S. Hardt, F. Schonfeld. Springer, 2007. - 615 p.

194. Microdroplets: a sea of applications? / A. Huebner, S. Sharma, M. Srisa-Art and Co. // Lab on a Chip 2008 - Vol. 8, № 8. - P. - 1244-1254.

195. Рид, P. Свойства газов и жидкостей'/ Р. Рид, Дж. Праусниц, Т. Шервуд. 3-е изд., перераб. и доп. - Л.: Химия, 1982. -620 с.

196. Maas, H.G. Particle tracking velocimetry in three-dimensional flows / H. G. Maas, A. Gruen and D. Papantoniou // Experiments in Fluids. 1993. - Vol. 30, №2.-P. 133-146.

197. Application of digital speckle pattern interferometry for fluid velocimetry in wind tunnel flows / N. Andres, M.P. Arroyo, H. Zahn, H. Hinrichs // Experiments in Fluids. 2001. - Vol. 5. - P. 562-567.

198. Лебедева, В.В. Экспериментальная оптика / В.В. Лебедева. 3-е изд. - М.: Изд-во Моск. ун-та, 1994. - 352 с.