Применение капельного кластера для визуализации структуры течений в слое газа, граничащем с жидкой поверхностью

Изобретение относится к методам визуализации течений. В качестве объекта, визуализирующего течения жидкости и газа, предлагается капельный кластер - образование из десятков и сотен устойчивых к коалесценции микрокапель конденсата, самопроизвольно возникающее на свободной поверхности открытого слоя испаряющейся жидкости. Миниатюрный размер и способность капель практически без трения перемещаться по жидкой поверхности делают их крайне чувствительными к токам воздуха. Совокупность капель кластера визуализирует структуру течений газа на границе с жидкой поверхностью с пространственным разрешением порядка сотых долей мм, при этом каждая капля выполняет функции датчика, своим размером сигнализируя о физических условиях в месте нахождения. 2 ил.

 

При решении научно-технических задач механики жидкости и газа важное значение имеют методы визуализации течений трассирующими частицами [1-3]. В этих методах, наряду с характеристиками оптических устройств регистрации изображений, первостепенную роль играют свойства трассирующих частиц, в качестве которых используются самые разнообразные объекты [1-3]: алюминиевая и магниевая пудра, ликоподий, частицы дыма или тумана, красящие вещества, газовые пузырьки и т.д.

В качестве принципиально нового объекта, позволяющего визуализировать течения жидкости и газа, предлагается использовать капельный кластер [4].

Капельный кластер представляет собой образование из десятков и сотен устойчивых к коалесценции микрокапель конденсата, самопроизвольно возникающее на свободной поверхности открытого слоя испаряющейся жидкости, нагретой до некоторой критической температуры. Миниатюрный размер и способность капель практически без трения перемещаться по жидкой поверхности делают их крайне чувствительными к токам воздуха, благодаря чему капли кластера в совокупности детально визуализируют структуру течений газа в слое, граничащем с жидкой поверхностью. Пример визуализации структуры течений в конвективном факеле [1], возникшем над нагретым участком жидкого слоя, показан на фиг.1: слева - кадр видеозаписи капельного кластера, справа - результат компьютерного наложения двух кадров, последний из которых является негативным, с прозрачностью 50%. Такой прием позволяет по смещению негативного изображения относительно позитивного определить скорость газовых потоков. Факел развивается внутри цилиндра Стефана, и следствием влияния стенок цилиндра является сложная структура течений (области противонаправленных потоков оконтурены штриховыми стрелками).

Кластер также может быть полезен и при изучении течений жидкости. На фиг.2 приведен пример с осесимметричным термокапиллярным (ТК) вихрем, индуцированным в слое тридекана. Жидкость загрязнена поверхностно-активным веществом, из-за чего вихрь локализован в наиболее нагретой области и имеет четкую границу на свободной поверхности. Размер вихря виден благодаря кольцу из относительно малоподвижных капель, а треки от капель, выпадающих на охваченный вихрем участок слоя, позволяют оценить скорость ТК течений жидкости.

Помимо того что капельный кластер визуализирует структуру течений с пространственным разрешением порядка сотых долей мм, каждая капля выполняет функции датчика, своим размером сигнализируя о физических условиях в месте нахождения. В частности, селекция капель по размеру в соответствии с распределением температуры слоя проявляется на фиг.1, где диаметр капель в более холодной, левой, части кластера примерно на 20% меньше, чем в правой части.

Таким образом, свойства капельного кластера позволяет отнести его к принципиально новому классу объектов, используемых для визуализации течений жидкости и газа.

ЛИТЕРАТУРА

1. Альбом течений жидкости и газа. Перевод с английского. / Сост. М. Ван-Дайк, М.: Мир, 1986, 184 с.

2. Оптические методы исследования потоков. Тезисы докладов I Всесоюзной конференции. Новосибирск, Институт теплофизики СО РАН, 1991 г., 242 с.

3. О термокапиллярном движении, вызванном локальным нагревом жидкости импульсом ультрафиолетового излучения. В.А.Альварес-Суарес, Ю.С.Рязанцев. Известия АН СССР, Механика жидкости и газа, №6, с.165-168, 1986.

4. Капельный кластер. А.А.Федорец. Письма в "ЖЭТФ", Том.79, №8, с.457-459, 2004.

Применение капельного кластера в качестве средства визуализации структуры течений в слое газа, граничащем с жидкой поверхностью.