Исследовать процесс конвекции — физики МГУ изучили жидкость в процессе охлаждения

Сотрудники кафедры молекулярных процессов и экстремальных состояний вещества исследовали процесс возникновения конвекции на поверхности остывающей жидкости. Учёным удалось установить размер и время развития возмущений и подтвердить полученные ранее данные. Результаты имеют значение для геофизических исследований, в фармацевтической, пищевой промышленности, микроэлектроники. Работа опубликована в журнале Physics of Fluids.

Учёных интересовал процесс перемещения вещества при равномерном охлаждении открытой поверхности жидкости. Данное явление имеет место, к примеру, в природных водоемах, когда прогретая солнечными лучами вода охлаждается у поверхности из-за испарения. Похожие процессы происходят и при остывании расплавов, при высыхании наносимых на поверхность покрытий в различных производственных процессах. Известно, что в процессе охлаждения у верхней границы образуется слой жидкости с большей, чем у остального объема, плотностью, который в определенный критический момент проваливается вниз под действием силы тяжести. В этот момент у поверхности возникает конвективное течение в виде характерной ячеистой структуры. Такая структура может наблюдаться также в тонких слоях, поскольку существует и другой механизм развития неустойчивости, связанный с действием капиллярных сил.

«Вода интересна тем, что обладает высоким коэффициентом поверхностного натяжения, и поэтому на ее поверхности легко адсорбируются растворенные примеси, которые могут влиять на движение поверхности и подавлять капиллярный механизм конвекции» — рассказывает профессор и руководитель научной группы Александр Викторович Уваров.

В работе проводилось определение критического времени и размера конвективных ячеек с помощью инфракрасной термографии, а полученные результаты сравнивались с расчетами, выполненными при различных значениях подвижности поверхности. ИК-термография – неинвазивный метод, который позволяет непосредственно регистрировать приповерхностную структуру конвекции без добавления в жидкость каких бы то ни было маркеров, способных дополнительно возмущать течение.

Для анализа задачи на устойчивость по отношению к малым возмущениям был использован немодальный анализ уравнений гидродинамики, поскольку в отличие от классической постановки Рэлея-Бенара в данном случае вертикальный температурный профиль является нестационарным. Для этого вычислялось начальное возмущение с наибольшим коэффициентом усиления, а также моделировалось действие внешнего источника случайного шума. Выяснилось, что результаты измерений соответствуют расчету, где предполагалось, что поверхность является неподвижной.

Это исследование подтвердило ранее полученные данные о наличии упругой пленки на поверхности дистиллированной воды. Также был установлен критерий перехода к приближению глубокой воды, когда глубина слоя перестает оказывать влияние на характер течения.

Кафедра молекулярных процессов и экстремальных состояний вещества
Руководитель научной группы: Александр Викторович Уваров
Связаться с сотрудниками кафедры можно через эту группу: https://vk.com/club200737492