Модель эволюции пленки бинарного гомогенного раствора при тепловом воздействии

Об авторе:

Аннотация:

Изучение движения жидких пленок в последнее время приобретает всё большую актуальность, что связано с расширяющейся областью их практического применения. К примеру, среди перспективных методов охлаждения можно выделить технологии, базирующиеся на испарении тонкого слоя жидкости. На основе эффектов Марангони могут быть разработаны оптические элементы систем медицинской диагностики, рабочие характеристики которых можно быстрее перестроить под необходимые задачи по сравнению с применяемыми сейчас подвижными линзами. Многие авторы в России и за рубежом заняты всесторонним теоретическим изучением пленочных течений, которое не должно отставать от исследований возможностей их применения. При этом движение пленок бинарного гомогенного раствора исследовано недостаточно, именно на нем сделан акцент в данном исследовании.

В работе рассмотрено поведение жидкой пленки, содержащей летучую компоненту, при ее нагреве. Обозначена значимость учета лапласовского скачка давления на границе раздела фаз, а также влияние кривизны поверхности на давление насыщенного пара. Формализована постановка задачи в ограниченном объеме. Устойчивость численной схемы исследована методом гармоник.

Достоверность модели подтверждена ее тестированием на ряде задач, имеющих аналитические решения: сохранение жидкого объема при соприкосновении пленки, находящейся в поле тяжести, с вертикальной стенкой; определение профиля слоя жидкости при неравномерном нагреве подложки; выполнение баланса массы при равномерном нагреве и охлаждении.

Список литературы:

1. Бекежанова В. Б. Устойчивость двухслойных течений жидкости с испарением на границе раздела / В. Б. Бекежанова, О. Н. Гончарова, Е. В. Резанова, И. А. Шефер // Известия Российской академии наук. Механика жидкости и газа. 2017. № 2. С. 23-35. DOI: 10.7868/S0568528117020062

2. Иванова Н. А. Термокапиллярное движение тонкой пленки бинарного спиртосодержащего раствора / Н. А. Иванова, К. А. Бородина // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия Математика. Механика. Информатика. 2020. Том 20. № 1. С. 64-78. DOI: 10.18500/1816-9791-2020-20-1-64-78

3. Самарский А. А. Разностные методы решения задач газовой динамики. Учебное пособие. 3-е изд., доп. / А. А. Самарский, Ю. П. Попов. М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1992. 424 с.

4. Способ охлаждения электронного оборудования пленочными и капельными потоками жидкости с использованием оребрения: Патент на изобретение RU 2706325 C1, 15.11.2019. Заявка № 2018146202 от 25.12.2018 / О. А. Кабов, Д. В. Зайцев, Е. Ф. Быковская.

5. Холпанов Л. П. Гидродинамика и теплообмен с поверхностью раздела / Л. П. Холпанов, В. Я. Шкадов. M.: Наука, 1990. 271 с.

6. Ajaev V. S. Evaporation of ultra-thin liquid films into air / V. S. Ajaev, D. Brutin, L. Tadrist // Microgravity Science and Technology. 2010. Vol. 22. No. 3. Pp. 441-446. DOI: 10.1007/s12217-010-9209-6

7. Bekezhanova V. B. Analysis of characteristics of two-layer convective flows with diffusive type evaporation based on exact solutions / V. B. Bekezhanova, O. N. Goncharova // Microgravity Science and Technology. 2020. Vol. 32. No. 2. Pp. 139-154. DOI: 10.1007/s12217-019-09764-0

8. Gatapova E. Ya. Shear-driven flows of locally heated liquid films / E. Ya. Gatapova, O. A. Kabov // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2008. Vol. 51 (19-20). Pp. 4797-4810. DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2008.02.038

9. Ivanova N. A. Laser-induced capillary effect in thin layers of water-alcohol mixtures / N. A. Ivanova, A. V. Tatosov, B. A. Bezuglyi // The European Physical Journal E. 2015. Vol. 38. No. 6 (June). Art. 60. DOI: 10.1140/epje/i2015-15060-1

10. Kabova Yu. Evaporation of a thin viscous liquid film sheared by gas in a microchannel / Yu. Kabova, V. V. Kuznetsov, O. Kabov et al. // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2014. Vol. 68. Pp. 527-541. DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2013.09.019

11. Landau L. Mechanics of Fluids / L. Landau, E. Lifschitz. New York: Pergamon Books Ltd., 1987. 244 pp.

12. Malyuk A. Yu. Optofluidic lens actuated by laser-induced solutocapillary forces / A. Yu. Malyuk, N. A. Ivanova // Optics Communications. 2017. Vol. 392. Pp. 123-127. DOI: 10.1016/j.optcom.2017.01.040

13. Malyuk A. Yu. Varifocal liquid lens actuated by laser-indeced thermal Marangoni forces / A. Yu. Malyuk, N. A. Ivanova // Applied Physics Letters. 2018. Vol. 112. No. 103701. DOI: 10.1063/1.5023222

14. Merkt D. Benard-Marangoni convection in a strongly evaporating fluid / D. Merkt, M. Bestehorn // Physica D: Nonlinear Phenomena. 2003. Vol. 185. Pp. 196-208. DOI: 10.1016/S0167-2789(03)00234-3

15. Miladinova S. Effects of nonuniform heating and thermocapillarity in evaporating films falling down an inclined plate / S. Miladinova, G. Lebon // Acta Mechanica. 2005. Vol. 174. No. 1. Pp. 33-49. DOI: 10.1007/s00707-004-0166-2

16. Nepomnyashchy A. Interfacial Convection in Multilayer System / A. Nepomnyashchy, I. Simanovskii, J. C. Legros. Springer, Boston, MA (publ.), 2012. 513 pp. DOI: 10.1007/978-0-387-87714-3

17. Oron A. Nonlinear dynamics of irradiated thin volatile liquid films / A. Oron // Physics of Fluids. 2000. Vol. 12. Pp. 29-41. DOI: 10.1063/1.870282

18. Ovcharova A. S. Multilayer system of films heated from above / A. S. Ovcharova // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2017. Vol. 114. Pp. 992-1000. DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2017.06.123

19. Simanovskii I. B. Convective Instabilities in Systems with Interface / I. B. Simanovskii, A. A. Nepomnyashchy. London: Gordon and Breach, 1993.

20. Tatosova K. A. Droplet formation caused by laser-induced surface-tension-driven flows in binary liquid mixtures / K. A. Tatosova, A. Yu. Malyuk, N. A. Ivanova // Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. 2017. Vol. 521. Pp. 22-29. DOI: 10.1016/j.colsurfa.2016.07.004