Россия
В работе рассмотрены методы исследования поверхностных явлений, позволяющие установить структуру и масштабы конвективных движений, их кинетические параметры. Исследование механизма поверхностной конвекции в системе газ-жидкость позволяет сделать вывод, что явление нестабильности поверхности жидкости может значительно ускорить процесс межфазного переноса
поверхностные явления, межфазный перенос, конвекция, оптические методы, гидродинамическая нестабильность поверхности, газожидкостные системы, конвекция Рэлея-Бенара
Известно, что в ряде газожидкостных систем вблизи границы раздела фаз возникают интенсивные, конвективные движения, вызванные процессами межфазного обмена [1-6].
Для изучения особенностей межфазного переноса в системе газ-жидкость могут быть использованы различные оптические методы, в некоторых случаях исследования поверхности раздела фаз можно проводить визуально или теоретически с использованием математического моделирования.
Широко для исследования явлений на границе раздела фаз используется комплекс оптических методов: голографическая интерферометрия в режиме реального времени и поляризационная микроскопия, теневой метод и модифицированный метод спектроскопии поверхностных флуктуаций. Процессы межфазного обмена, протекающие достаточно интенсивно, сопровождаются возникновением и развитием фазовых и конвективных неоднородностей приповерхностного слоя жидкости вблизи границы раздела фаз. Гидродинамические неоднородности связаны с протеканием термокапиллярной конвекции и конвекции Релея-Бенара. Эти неоднородности имеют показатели преломления, отличающиеся от показателей преломления исходной жидкости, и могут быть обнаружены оптическими методами.
Для изучения механизмов процессов переноса вещества в системе газ-жидкость, представляющих собой физическую абсорбцию или десорбцию, используют оптический метод голографической интерферометрии, позволяющий проводить исследование в режиме реального времени. Экспериментальная установка (рисунок 1) включает гелий-неоновый лазер 1 мощностью 20 мВт и длиной волны 0,63 мкм. Световые пучки, выходящие из лазера, делятся на объектный и опорный. Опорный световой пучок, отразившись от зеркал 2, направляется на фоторегистратор - голографическую пластинку 5. На него также попадает и объектный световой пучок, который отражается от зеркал 2 и проходит через оптическую систему, состоящую из объективов 3 и кюветы 4. Последнюю заполняют исследуемой средой таким образом, чтобы в поле зрения видеокамеры 6 попадала межфазная граница и примыкающие к ней объемы газовой и жидкой фаз. Окна кюветы 4 изготовлены из прозрачного оптического стекла, что обеспечивает возможность наблюдения за поверхностью раздела газ-жидкость. До начала эксперимента кювету продувают инертным газом, затем частично заполняют исследуемой жидкостью. После достижения невозмущенного начального состояния инертный газ в кювете заменяют на абсорбируемый газ.
Визуально наблюдать диффузионно-реакционные процессы, локализованные в тонком слое вблизи межфазной поверхности, при хемосорбции газа жидкостью можно с помощью поляризационно-интерференцион-ного микроскопа (рисунок 2). Оптическая система такого микроскопа позволяет увеличивать исследуемые неоднородности вблизи межфазной поверхности от 10 до 40 раз. Разрешение системы, исходя из числа линий на экране монитора, не менее 50 мкм. В поляризационно-интерференционном микроскопе формируется пучок когерентного света, который характеризуется разностью фаз из-за разделения при прохождении через призму 10. В плоскости изображения микроскопа размещена светочувствительная поверхность видеокамеры 12. Изображение выбранной области кюветы 7, в которой протекают межфазные процессы, подсвеченное с помощью осветительной системы микроскопа, включающей элементы 1-6, проецируется на чувствительную поверхность камеры 12 с помощью микрообъектива 8. Изображение, полученное с помощью камеры 12, регистрируется устройством 13 и воспроизводится на мониторе 14.
Рисунок 1 – Схема голографического
интерферометра: 1 – гелий-неоновый лазер,
2 – зеркала, 3 – объективы, 4 – кювета,
5 – фоторегистратор, 6 – видеокамера
Рисунок 2 – Схема поляризационно-интерференционного микроскопа: 1 – лампа
накаливания, 2 – линза, 3 – диафрагма,
4 – поляризатор, 5 – щелевая диафрагма,
6 – конденсор, 7 – кювета, 8 – микрообъектив, 9 – поляризационно-интерференционное
устройство, 10 – призма, 11 – анализатор,
12 – видеокамера, 13 – видеорегистратор,
14 – монитор
Лазерная спектроскопия дает возможность идентификации межфазных неоднородностей. Схема устройства для исследования явлений, происходящих на самой межфазной границе, показана на рисунке 3.
Устройство работает следующим образом. Пучок излучений гелий-неонового лазера длиной волны 0,63 мкм направляется на межфазную поверхность жидкости с двух сторон, отражается от нее и попадает на экран. Отраженный пучок содержит информацию о структуре поверхностного слоя. Изображение пучка на экране фотографируют с интервалом 2-3 с.
Рассмотренные оптические методы позволяют установить структуру и масштабы конвективных движений, их кинетические параметры. В ряде простых случаев, когда конвективные образования крупны по размеру, поверхностные явления можно наблюдать и исследовать визуально, с помощью цифровой фотокамеры. В работе [7-9] визуализирована с помощью цифровой фотокамеры поверхностная термогравитационная конвекция при испарении горячей воды в воздух. Вихревые потоки, возникшие при сливании жидкости в кювету, затихали, и на поверхности жидкости возникала структура конвективных ячеек (рисунок 4). Рисунок из светлых линий на поверхности жидкости вызван зависимостью коэффициента преломления света от плотности и температуры жидкости. Светлые линии соответствуют жидкости с меньшей температурой, такая жидкость имеет большую плотность и опускается вниз. Темные области соответствуют восходящему потоку жидкости. Ячейки имели вид многоугольников неправильной формы. Несомненно, в ячейках воды было ламинарное движение. На фотографии (рисунок 4, а) видно, что на границе двух ячеек возник вихрь. Это говорит о том, что при большой движущей силе испарения возможен переход ламинарного течения в турбулентное. На рисунке 4, б видно, как вихри деформируют ячейки, занимая господствующее положение. По мере охлаждения воды конвекция затухала.
Рисунок 3 – Схема устройства для исследования межфазных явлений методом лазерной
спектроскопии: 1 – гелий-неоновый лазер,
2 – зеркала, 3 – делитель лазерного пучка,
4 – кювета, 5 – матовый полупрозрачный экран, 6 – объектив, 7 – видеокамера
Исследование гидродинамической ус-тойчивости поверхности можно осуществлять теоретически при помощи математического моделирования. В работах [10-11] установлена возможность возникновения поверхностной конвекции при испарении 1,2-дихлорэтана в азот. В результате расчетов по математической модели определено распределение температуры в пленке 1,2-дихлорэтана при испарительном охлаждении его в азот. Критический градиент температуры DT по высоте пленки жидкости, необходимый для возникновения термокапиллярной конвекции, обусловленной градиентом коэффициента поверхностного натяжения, определялся из следующей формулы:
.
где: – безразмерное число Марангони, характеризующее соотношение термокапиллярной силы и вязкой силы; DT – критический градиент температуры по высоте пленки жидкости, град.; h – высота пленки жидкости, м; m – коэффициент динамической вязкости, Па×с; a – коэффициент температуропроводности, м2/с; e – температурный градиент поверхностного натяжения, Н/м2.
Критическое число Марангони, характеризующее переход к режиму термокапиллярной конвекции по данным [1-2] составляет .
а б
Рисунок 4 – Конвекция Рэлея-Бенара на поверхности воды
Затем значение критического градиента температуры DT сравнивалось с разностью температур в пленке жидкости, рассчитанной по модели, и устанавливалась возможность возникновения термокапиллярной конвекции.
Поверхностные явления, имеющие место в газожидкостных системах, способны интенсифицировать межфазный перенос и оказывать существенное влияние на скорость массопереноса, поэтому актуальным направлением является исследование и визуализация поверхностных явлений, протекающих вблизи границы раздела фаз. В настоящее время существует большое разнообразие оптических методов, которые могут применяться для исследования межфазных явлений в газожидкостных системах. Однако для их успешного использования требуется экспериментальное оборудование, обладающее высокой временной и пространственной разрешающей способностью, а также большой степенью увеличения.
1. Гершуни, Г. З. Конвективная устойчивость несжимаемой жидкости / Г. З. Гершуни, Е. М. Жуковицкий. – Москва : Наука, 1972. – 392 c.
2. Гетлинг, А. В. Конвекция Рэлея-Бенара. Структуры и динамика / А. В. Гетлинг. – Москва : Эдиториал УРСС, 1999. – 248 с.
3. Подоплелов, Е. В. Поверхностные явления в газожидкостных химических процессах с большим тепловым эффектом / Е. В. Подоплелов, А. В. Бальчугов, В. Ю. Рахманин, А. В. Подоплелова // Математические методы в технике и технологиях (ММТТ-26). – 2013. – С. 59–61.
4. Подоплелов, Е. В. Гидродинамическая нестабильность поверхности при испарении 1,2-дихлорэтана в азот / Е. В. Подоплелов, А. В. Бальчугов // Сборник научных трудов Ангарского государственного технического университета. – 2013. – Т. 1. – № 1. – С. 114–116.
5. Подоплелов, Е. В. Капиллярная конвекция при массообмене между газом и жидкостью в процессе получения 1,2-дихлорэтана / Е. В. Подоплелов, А. В. Бальчугов, Б. А. Ульянов, Д. П. Свиридов // Сборник научных трудов Ангарского государственного технического университета. – 2006. – Т. 1. – № 1. – С. 180–183.
6. Бальчугов, А. В. Визуализация конвекции Рэлея-Бенара на поверхности испаряющейся жидкости / А. В. Бальчугов, Е. В. Подоплелов, Б. А. Ульянов, Д. П. Свиридов // Сборник научных трудов Ангарского государственного технического университета. – 2005. – Т. 1. – № 1. – С. 24–27.
7. Бальчугов, А. В. Гидродинамическое состояние поверхности при испарении / А. В. Бальчугов, И. А. Семенов, Е. В. Подоплелов // Сборник научных трудов Ангарского государственного технического университета. – 2005. – Т. 1. – № 1. – С. 31–37.
8. Бальчугов, А. В. Массообмен при испарении жидкости в поток газа / А. В. Бальчугов, И. А. Семенов, Е. В. Подоплелов // Сборник научных трудов Ангарского государственного технического университета. – 2005. – Т. 1. – № 1. – С. 38–45.
9. Дильман, В. В. Диффузионно-тепловая неустойчивость Марангони при абсорбции с химической реакцией / В. В. Дильман, Н. Н. Кулов, В. И. Найденов // Теоретические основы химической технологии. – 1999. – Т. 33. – №5. – С. 495.
10. Подоплелов, Е. В. Математическое моделирование термогравитационной и термокапиллярной конвекции в газожидкостных процессах / Е. В. Подоплелов, А. В. Бальчугов, А. И. Дементьев, А. А. Глотов // Сборник научных трудов Ангарского государственного технического университета. – 2021. – Т. 1. – № 18. – С. 58–66.
11. Podoplelov, E. V. Simulation of the evaporation process of 1.2-dichloroethane into nitrogen / E. V. Podople-lov, A. V. Balchugov, A. I. Dementev, A. S. Ryabov // Journal of Physics: Conference Se-ries. 13. "Computer-Aided Technologies in Applied Mathematics". – 2020. – P. 012041.
