Способ имитации термокапиллярной конвекции в невесомости

 

Использование: экспериментальная гидродинамика, моделирование условий невесомости в процессах зонной плавки. Сущность изобретения: слой модельной жидкости в виде раствора с аномальным термокапиллярным эффектом (водного раствора n-гептанола) размещают между верхней и нижней подложками, нагревают жидкость до критической т-ры, а затем создают градиент т-ры путем синхронного нагрева одной и охлаждения другой подложек с одинаковой скоростью, вследствие этого в слое модельной жидкости возникает четырехциркуляционное течение, характерное для условий невесомости. 1 ил.

Изобретение относится к экспериментальной гидродинамике и предназначено для моделирования условий невесомости в модельных течениях зонной плавки.

Известен способ имитации термокапиллярной конвекции в невесомости, включающий размещение сплошного слоя модельной жидкости в виде раствора с аномальным термокапиллярным эффектом между двумя горизонтальными подложками и создание в ней градиента температуры.

К недостаткам известного способа следует отнести то, что в нем возникает двухциркуляционное течение, в то время как в условиях невесомости образуется четырехциркуляционное течение и, следовательно, возникающая структура модельного потока не соответствует структуре реального потока в невесомости.

Целью изобретения является приближение структуры модельного течения к структуре реального течения.

Цель достигается тем, что в способе имитации термокапиллярной конвекции в невесомости, включающем размещение сплошного слоя модельной жидкости в виде раствора с аномальным термокапиллярным эффектом между двумя горизонтальными подложками и создание в ней градиента температуры, градиент температуры создают в вертикальном направлении, причем перед созданием градиента температуры жидкость нагревают до критической температуры, а сам градиент обеспечивают синхронным нагревом одной и охлаждением другой подложек с одинаковой скоростью.

Сущность изобретения состоит в следующем.

Применение в качестве рабочей жидкости раствора, имеющего минимум поверхностного натяжения при некоторой температуре, позволяет в условиях нормальной силы тяжести получить четырехвихревое течение, причем при более высокой температуре верхнего диска (подложки) гравитационная тепловая конвекция оказывается значительно ослабленной.

Следует отметить, что если прогрева до критической температуры, а затем плавного и одновременного изменения температуры подложек не было бы, то, как установлено экспериментально, в слое образовались бы крупномасштабные вихревые образования, которые изменяют распределение температуры на свободной поверхности (из-за интенсивного перемешивания), и получить четырехциркуляционное течение не удается, так как положение точки критической температуры на свободной поверхности слоя смещается к одной из подложек.

В условиях микрогравитации (10^-4-10^-6) g_о основной движущей силой является поверхностная сила, обусловленная изменением коэффициента поверхностного натяжения вдоль поверхности (эффект Марангони). В заявленном модельном течении также основной движущей силой будет поверхностная сила, обусловленная изменением коэффициента поверхностного натяжения вдоль поверхности. Причем характер изменения будет идентичен, минимумы будут в середине расстояния между подложками. При этом влияние гравитации в заявленном способе не сказывается на течении. В реальном процессе идет нагрев центральной части между подложками и из-за изменения температуры коэффициент поверхностного натяжения изменяемости по мере приближения к подложкам.

Таким образом, на поток действуют одни и те же силы, причем по величине эти силы одного порядка. Следовательно, как структура потока, так и количественные данные будут примерно одинаковыми.

На чертеже представлен типичный вид зависимости коэффициента поверхностного натяжения от температуры в случае аномального термокапиллярного эффекта (минимум значения коэффициента поверхностного натяжения).

Способ осуществляется следующим образом.

Берут раствор, имеющий аномальный термокапиллярный эффект в некоторой окрестности температуры Т_с, помещают раствор в зазор между двумя подложками (дисками), установленными одна над другой; подложки, а следовательно, и жидкость прогревают до температуры Т_с, затем одновременно верхний диск нагревают до температуры Т_с + dТ, а нижний диск охлаждают до температуры Т_с - dТ, где dT - положительная константа. Скорости нагрева верхнего диска и охлаждения нижнего диска поддерживают одинаковыми.

Для осуществления способа существенно то, что в результате такого способа создания разности температур между верхним и нижним дисками на свободной боковой поверхности жидкости в некоторой точке, близкой к центру жидкого столбика, температура окажется равной Т_с, коэффициент поверхностного натяжения будет минимальным в этой точке и возрастать по мере приближения к дискам.

Возникающие в результате термокапиллярные силы и приводят жидкость в движение. При этом в верхней половине жидкого столбика образуется циркуляционное течение и в нижней половине также образуется циркуляционное течение. То есть, возникающее течение имеет ту же структуру, что и течение в условиях невесомости. Следовательно, структура течение будет такой же, как и в реальном процессе.

П р и м е р 1. Рассмотрим осуществление способа на примере использования в качестве модельной жидкости наиболее исследованного водного раствора n-гептанола.

Приготовлен раствор концентрации 0,0063 моль/л n-гептанола, раствор помещен в зазор между двумя дисками диаметром 4 мм, расстояние между дисками 4 мм, так, чтобы между дисками образовался устойчивый слой жидкости, заполняющий все пространство между дисками, как по ширине зазора, так и по диаметру дисков. Раствор в течение 15 мин прогрели равномерно до критической температуры (40^оС), а затем верхний диск стали нагревать, а нижний охлаждать со скоростью 0,01^оС/с. Верхний диск нагрели до температуры 46^оС, а нижний охладили до 34^оС. В раствор n-гептанола поместили частицы нейтральной плавучести размером 0,2 мм. По достижении конечных температур верхним и нижним дисками была осуществлена 20-минутная выдержка для достижения стационарного течения жидкости (что не является обязательным, а следовало, из интересов эксперимента). Образовавшийся жидкий столбик раствора подсвечивали стробоскопом, визуально фиксировали структуру возникающего течения. По движению частиц нейтральной плавучести обнаружили, что в сечении наблюдается четырехвихревое течение, т. е. структура течения такая же, как и в бестигельной зонной плавке при невесомости. Диапазон разности температур между дисками определяется из интересов эксперимента и однозначно связан с числом Марангони Ma= , где δσ - разница коэффициента поверхностного натяжения у диска и в точке, где температура равна критической; ρ - плотность, ν - кинематическая вязкость, а - коэффициент температуропроводности; R - радиус диска (подложки).

Конкретное значение числа Марангони, реализуемое в эксперименте, зависит от целей эксперимента.

Таким образом, в предлагаемом способе удается имитировать условия невесомости в модельном течении зонной плавки, при этом возникающее течение имеет такую же структуру и ориентацию, как и в реальном процессе.

(56) Limbourg M. C. et al. Marangoni convection when the surfare tension increases with the temperature in normal and low gravity conditions // Adv. Space Res. - 1988, 8, N 12, р. 195-203.

Формула изобретения

СПОСОБ ИМИТАЦИИ ТЕРМОКАПИЛЛЯРНОЙ КОНВЕКЦИИ В НЕВЕСОМОСТИ, включающий размещение сплошного слоя модельной жидкости в виде раствора с аномальным термокапиллярным эффектом между двумя горизонтальными подложками и создание в ней градиента температуры, отличающийся тем, что, с целью приближения структуры модельного течения к структуре реального течения, градиент температуры создают в вертикальном направлении, причем перед созданием градиента температуры жидкость нагревают до критической температуры, а сам градиент обеспечивают синхронным нагревом одной и охлаждением другой подложек с одинаковой скоростью.

РИСУНКИ

Рисунок 1