Сибирские физики научились управлять движением конвективных потоков внутри жидкостей
Ученые Томского политехнического университета (ТПУ) и Института теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН провели комплексное исследование и выяснили, как модулированный локальный нагрев меняет характер движения в жидкости. Эти данные помогут точнее управлять смешиванием веществ в микрореакторах и теплообменом в тонких жидких пленках.
При локальном нагреве жидкости в ней возникают конвекционные потоки — движение вещества, обусловленное разницей температур. При таких условиях в тонком плоском слое обычно формируются два крупных вихря. Однако они перемешивают жидкость довольно неравномерно. Это приводит, например, к проблемам с охлаждением микроэлектроники, снижению эффективности работы химических и биохимических реакторов, а также процессов нанесения покрытий. До сих пор проблема влияния переменных тепловых полей на структуру конвективных течения была исследована недостаточно.
Авторы предложили управлять конвекцией в слое жидкости с помощью модулированного потока лазерного излучения. Исследователи провели серию экспериментов, направляя сфокусированный поток излучения в поглощающую свет область на дне кюветы с жидкостью.
Мощность лазера модулировали, создавая колебания температуры в слое жидкости. Эксперименты проводили с водой, промышленным маслом и спиртом. При этом использовались кюветы из стекла, пластика и меди. Движение жидкости отслеживали с помощью бесконтактного метода трассерной визуализации: ученые добавляли в жидкость микрочастицы диоксида титана, которые, двигаясь вместе с потоком, помогали восстанавливать структуру вихрей и измерять скорость конвекции.
«При постоянном локальном нагреве в жидкости, как правило, сохраняется крупномасштабная вихревая структура. Периодическая модуляция мощности нагрева позволяет целенаправленно нарушить этот режим и сформировать более сложное движение. Когда частота приближается к характерной гидродинамической частоте жидкости, два макроскопических вихря теряют стабильность и распадаются на множество более мелких вихревых структур. Такой режим способствует более эффективному перемешиванию жидкости, более равномерному распределению примесей и тепла в слое», — рассказал один из авторов исследования, профессор Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов ТПУ Роман Егоров.
Результаты показали, что в слое воды толщиной около 2 мм два крупных вихря становились нестабильными при частотах лазерной модуляции менее 0,1 Гц. Для того, чтобы перестроить вихревое движение в воде, частота модуляции мощности нагрева должна составлять 0,05 Гц, средняя скорость конвенции при этом составила около 0,75-0,9 мм/с. При более высоких частотах (0,5-1 Гц) температурные колебания на свободной поверхности водяного слоя были минимальными.
«Расчетная критическая частота полного затухания колебаний для двухмиллиметрового слоя масла составляла около 2,5 Гц, для спирта — порядка 12 Гц. Для проведения оценок влияния модуляции нагрева мы предложили учитывать реальную конвекцию через эффективную температуропроводность жидкости. Это позволяет достаточно просто оценить, на каком расстоянии от пятна лазерного нагрева температурные колебания практически исчезнут и какая частота нагрева нужна для изменения структуры потока», — добавил Роман Егоров.
По мнению ученых, предложенный подход может лечь в основу методик повышения однородности нанопокрытий, ускорения смешивания в микрореакторах, а также оптимизации теплообмена и анализа теплового воздействия в малогабаритных устройствах.