Физики предложили по-новому измерять форму жидкости

Сотрудники кафедры молекулярных процессов и экстремальных состояний вещества МГУ предложили новый вариант теневого фонового метода для измерения рельефа поверхности жидкости. Это поможет лучше исследовать волны в тонких пленках, которые применяются в системах охлаждения ядерных реакторов и процессоров суперкомпьютеров, а также в нефтепереработке, фармацевтической и пищевой промышленности. Результаты опубликованы в журнале Experimental Thermal and Fluid Science.

Новый метод основан на компьютерном сравнении двух изображений фонового экрана, полученных при съемке его отражения от поверхности жидкости, – при наличии возмущений и в их отсутствие. Искривление поверхности приводит к искажению изображения, как при образовании лунной дорожки на поверхности водоема. Видимое смещение элементов изображения пропорционально локальному углу наклона поверхности, что позволяет рассчитать мгновенную карту рельефа поверхности. 

«Чрезвычайно простая экспериментальная установка состоит лишь из фотоаппарата, подсвеченного фонового экрана и сосуда с исследуемой жидкостью. Метод имеет очень высокую чувствительность и позволяет измерять возмущения поверхности с амплитудой порядка нескольких микрон, причем, в отличие от ранее предложенных методов, измерения можно проводить и в непрозрачных жидкостях», – рассказал старший научный сотрудник отделения экспериментальной и теоретической физики физического факультета МГУ Николай Винниченко. 

Гравитационно-капиллярные волны, которые исследовали физики МГУ, встречаются фактически везде, где есть течение жидкости со свободной поверхностью. Практические приложения тонких пленок в основном теплофизические и химические: охлаждение пленками жидкости сильно нагретых поверхностей (стенки камер сгорания ракетных двигателей на жидком топливе, стенки ядерных реакторов, процессоры в некоторых суперкомпьютерах) и очистка жидкости путем разделения на испаряющуюся и неиспаряющуюся части (нефтепереработка, опреснение воды, фармацевтическая и пищевая промышленность). 

«Кроме того, гравитационно-капиллярные волны на пленках возникают при нанесении покрытий. Еще Генри Форд говорил, что автомобиль может быть любого цвета при условии, что он черный: краски других цветов сохли медленнее, и из-за течения в пленке окраска получалась неравномерной. В геофизике волны обычно имеют существенно большую амплитуду и их можно измерить другими способами, например просто фотографируя подкрашенную жидкость сбоку», – объяснил Николай Винниченко. 

С помощью нового метода ученые измерили форму поверхности при распространении гравитационно-капиллярных волн, определили зависимость коэффициента затухания волн от частоты и измерили изменения формы поверхности различных жидкостей при взаимодействии с конвективной струей от расположенного под поверхностью линейного источника тепла. Всплывающая на поверхность нагретая жидкость имеет не только меньшую плотность, но и меньший коэффициент поверхностного натяжения – возможны два механизма конвекции: термогравитационный, связанный с изменением плотности, и термокапиллярный, связанный с изменением коэффициента поверхностного натяжения. Термогравитационная конвекция приводит к вспучиванию нагретого участка поверхности, а термокапиллярная уносит часть жидкости в стороны. Поэтому измерения рельефа поверхности позволяют судить о соотношении влияния двух типов конвекции. «В нашей работе впервые проведено сравнение мгновенных распределений рельефа поверхности и полей температуры поверхности, измеренных с помощью тепловизора в задаче Рэлея – Бенара», – добавил Винниченко.

Изображение. Результаты для силиконового масла демонстрируют переход от преобладания термогравитационной конвекции при низких температурах (подъем нагретых участков поверхности) к доминированию термокапиллярной конвекции при высоких температурах (нагретые участки поверхности, напротив, соответствуют впадинам). Опыты с водой показали, что даже в дистиллированной воде термокапиллярная конвекция не наблюдается из-за образования поверхностной пленки присутствующими малыми примесями. Николай Винниченко/МГУ