О колебательной неустойчивости в системе двух несмешивающихся жидкостей при локальном нагреве межфазной границы

Об авторах:

Клюев Денис Сергеевич, младший научный сотрудник, научно-исследовательская лаборатория фотоники и микрофлюидики, X-BIO, Тюменский государственный университет; d.s.klyuev@utmn.ru; ORCID: 0000-0001-7018-2290

Иванова Наталья Анатольевна , кандидат физико-математических наук, доцент, профессор кафедры прикладной и технической физики, Физико-технический институт, заведующий научно-исследовательской лабораторией фотоники и микрофлюидики, X-BIO, Тюменский государственный университет; eLibrary AuthorID, ORCID, Web of Science ResearcherID, Scopus AuthorID, n.ivanova@utmn.ru

Аннотация:

Современные методы управления формой межфазных поверхностей смешиваемых и несмешиваемых жидкостей, а также основанные на них технологии адаптивной жидкостной оптики, или так называемой оптики свободной формы, требуют глубокого понимания процессов тепло- и массопереноса, протекающих на границе раздела. Эти процессы оказывают значительное влияние на форму поверхности и скорость ее перехода в устойчивое состояние, что является определяющим критерием для аккомодации оптических характеристик жидкослойной оптики. Целью данной работы является исследование основных режимов термокапиллярной конвекции в горизонтальной системе двух несмешивающихся жидкостей. Причиной возникновения тепломассопереноса в изучаемой системе являлся локальный нагрев межфазной границы с помощью лазерного излучения. Методика получения информации об изменении кривизны поверхности слоя как о показателе гидродинамической устойчивости системы основана на измерении диаметра интерференционной картины, сформированной на удаленном экране отраженным от деформированной поверхности жидкости лазерным пучком. С помощью этого метода обнаружено, что для одной из рассматриваемых систем (бензиловый спирт — полиметилсилоксан) характерно возникновение гидродинамической неустойчивости колебательного характера, проявляющейся в изменении формы как межфазной границы между двумя жидкостями, так и свободной границы. Показаны отличительные особенности эволюции обнаруженной неустойчивости, выдвинуто предположение о влиянии микропузырьковых скоплений, выявленных методом оптической микроскопии, в качестве причины возникновения и затухания колебаний. Предполагается, что перемещение пузырьковых скоплений посредством термокапиллярных течений и капиллярного дрейфа способствует формированию локального перепада межфазного натяжения, приводящего к дестабилизации устойчивой деформации слоя и переходу системы в режим колебательной неустойчивости. Установлены времена затухания и периоды колебаний в зависимости от толщины верхнего слоя.

Список литературы:

1. Бесконтактный способ измерения вязкости: патент 2201587 РФ / Б. А. Безуглый, А. А. Федорец. № 2001106544/28; заявл. 11.03.2001; опубл. 27.03.2003. Бюл. № 9.

2. Братухин Ю. К. Термокапиллярный дрейф капельки вязкой жидкости / Ю. К. Братухин // Известия Академии наук СССР. Механика жидкости и газа. 1975. № 5. С. 156-161.

3. Мизёв А. И. Экспериментальное исследование термокапиллярной конвекции, индуцированной локальной температурной неоднородностью вблизи поверхности жидкости. 1. Твердотельный источник тепла / А. И. Мизёв // Прикладная механика и техническая физика. 2004. Том 45. № 4. С. 36-49.

4. Bekezhanova V. B. Thermocapillary deformations of a two-layer system of liquids under laser beam heating / V. B. Bekezhanova, V. M. Fliagin, O. N. Goncharova, N. A. Ivanova, D. S. Klyuev // International Journal of Multiphase Flow. 2020. Vol. 132. Pp. 103429. DOI: 10.1016/j.ijmultiphaseflow.2020.103429

5. Bezuglyĭ B. A. Effect of delay of the thermocapillary response of a transparent liquid layer during laser heating of the absorbing substrate / B. A. Bezuglyĭ, S. I. Chemodanov // Technical Physics. 2005. Vol. 50. No. 9. Pp. 1243-1245. DOI: 10.1134/1.2051472

6. Chraïbi H. Thermocapillary flows and interface deformations produced by localized laser heating in confined environment / H. Chraïbi, J-P. Delville // Physics of Fluids. 2012. Vol. 24. Pp. 032102. DOI: 10.1063/1.3690160

7. Da Costa G. Self-holograms of laser-induced surface depressions in heavy hydrocarbons / G. Da Costa, J. Calatroni // Applied Optics. 1978. Vol. 17. No. 15. Pp. 2381-2385. DOI: 10.1364/AO.17.002381

8. Da Costa G. Time evolution of the caustics of a laser heated liquid film / G. Da Costa, R. Escalona // Applied Optics. 1990. Vol. 29. No. 7. Pp. 1023-1033. DOI: 10.1364/AO.29.001023

9. Doi T. Thermocapillary convection in two immiscible liquid layers with free surface / T. Doi, J. N. Koster // Physics of Fluids A: Fluid Dynamics. 1993. Vol. 5. Iss. 8. Pp. 1914-1927. DOI: 10.1063/1.858817

10. Edrisi A. A novel experimental procedure to measure interfacial tension based on dynamic behavior of rising bubble through interface of two immiscible liquids / A. Edrisi, M. Dadvar, B. Dabir // Chemical Engineering Science. 2021. Vol. 231. Pp. 116255. DOI: 10.1016/j.ces.2020.116255

11. Ivanova N. Biomimetic optics: liquid-based optical elements imitating the eye functionality / N. Ivanova // Philosophical Transactions of the Royal Society A. 2020. Vol. 378. Iss. 2167. Pp. 20190442. DOI: 10.1098/rsta.2019.0442

12. Juel A. Surface tension-driven convection patterns in two liquid layers / A. Juel, J. M. Burgess, W. D. McCormick, J. B. Swift, H. L. Swinney // Physica D. 2000. Vol. 143. Pp. 169-186.

13. Klyuev D. S. Thermocapillary deformation induced by a laser heating of thin liquid layers: Physical and numerical experiments / D. S. Klyuev, V. M. Fliagin, S. V. Semenov, N. A. Ivanova // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2021. Vol. 172. Pp. 121020. DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2021.121020

14. Loulergue J. C. Interface deflections induced by the Marangoni effect: an application to infrared visible image conversion / J. C. Loulergue, P. Manneville, Y. Pomeau // Journal of Physics D: Applied Physics. 1981. Vol. 14. Pp. 1967-1977.

15. Nepomnyashchy A. Interfacial Convection in Multilayer Systems / A. Nepomnyashchy, I. Simanovskii. J. C. Legros: Springer Science, 2012. 513 p.

16. Randall M. The boiling point composition diagram of immiscible and partially miscible liquid systems / M. Randall, W. Avila // Journal of Chemical Education. 1940. Vol. 17. Iss. 11. Pp. 536-537.