Способ упорядочения структуры неподвижного граничного слоя вязкой несжимаемой жидкости
Владельцы патента RU 2457463:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Иркутский государственный университет путей сообщения (ФГБОУ ВПО ИрГУПС) (RU)
Изобретение относится к области молекулярной технологии (нанотехнология). Цель изобретения состоит в разработке способа упорядочения структуры граничного слоя вязкой несжимаемой жидкости. В предлагаемом способе использован оригинальный капиллярный прибор специальной конструкции с горизонтально расположенной трубкой. Диаметр трубки около 200 мкм и длина трубки 32 мм (модифицированный сталагмометр). Объемный расход вязкой несжимаемой жидкости определятся с помощью мерного сосуда постоянной и малой вместимости - объема капли, который позволяет измерять уменьшение расхода в долях микролитра. Это дает возможность регистрировать увеличение толщины неподвижного граничного слоя на микроскопическую величину. Рассмотрение отношения импульса силы динамического давления потока к длине капилляра приводит к вычислению величины объемного расхода вязкой несжимаемой жидкости. Последняя позволяет определить величину силы динамического давления потока, приводящего к упорядочению структуры граничного слоя в капилляре. Технический результат, получаемый при реализации изобретения, заключается в возможности применения такого способа при разработке методов технологии наносборки - при образовании структурных фрагментов из отдельных молекул при помощи сил адгезии вязкой несжимаемой жидкости и твердого тела. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к области молекулярной технологии (нанотехнология).
Условия, наиболее благоприятные для проведения эффективных технологических процессов в нанотехнологии с использованием механизма самоорганизации и самосборки - при образовании структурных фрагментов из отдельных молекул при помощи сил адгезии жидкости и твердого тела - требуют разработки способа упорядочения структуры граничного слоя вязкой несжимаемой жидкости, находящегося неподвижно под действием сил адгезии микрочастиц стенки капилляра.
Для разработки способа упорядочения структуры граничного слоя вязкой несжимаемой жидкости предлагается:
1. Использовать оригинальный капиллярный прибор специальной конструкции с горизонтально расположенной трубкой диаметром около 200 мкм и длиной 32 мм (модифицированный сталагмометр - см. фиг.1 [1]).
2. Определять объемный расход вязкой несжимаемой жидкости с помощью мерного сосуда постоянной и малой вместимости - объема капли, который позволяет измерять уменьшение расхода в долях микролитра, что дает возможность регистрировать увеличение толщины неподвижного граничного слоя на микроскопическую величину [1-5].
На фиг.1 представлена схема прибора для определения силы когезии микрочастиц ламинарного потока к неподвижному граничному слою жидкости: 1 - напорный сосуд; 2 - горизонтально расположенный капилляр; 3 - капля жидкости.
3. Определять величину силы динамического давления потока F, приводящего к упорядочению структуры граничного слоя в капилляре, когда объемный расход Q удовлетворяет условию [2]:
где ρ - плотность жидкости; t - время действия силы F; L - элементарная длина (жидкая линия), рассматриваемая как сторона малого кубического элемента жидкости, поведение которого исследуется.
Или иначе
1. Прототип (аналог)
Краткое описание аналога. Повышение степени ориентации цепей полимера благоприятно влияет на прочность материала. Ориентация цепей полимера сильно возрастает при продавливании его через фильеры [6]. Фильеры представляют собой металлические колпачки с многочисленными отверстиями. При прохождении через отверстия фильеры молекулы полимера, как бревна при сплаве по узкой реке, начинают выстраиваться по направлению течения. В процессе дальнейшего формования волоконец расположение их становится еще более упорядоченным. Это приводит к большой прочности волоконец [7].
2. Недостатки и достоинства прототипа
Недостаток. Сложность процесса этерификации. Чтобы линейные молекулы полимера расположить вдоль оси образуемого волокна, надо их отделить друг от друга, сделать подвижными, способными к перемещению. Этого достигают путем химического растворения полимера, образуя вязкий раствор [7].
Достоинство. Упорядочение структуры полимера способом продавливания вязкого раствора через фильеры существенно увеличивает прочность волоконец и образуемых ими нитей.
3. Предлагаемый способ отличается от прототипа
1. В предлагаемом способе используется горизонтальное расположение капилляра, а в прототипе фильеры направлены вертикально [7].
2. В предлагаемом способе упорядочение структуры неподвижного граничного слоя вязкой несжимаемой жидкости осуществляется с помощью силы динамического давления потока, а в прототипе - способом механического формования вязкого раствора полимера через фильеры - выстраиванием макромолекул вдоль формовочного отверстия.
3. В предлагаемом способе силы адгезии микрочастиц поверхности твердого тела используются для фиксации молекул вязкой несжимаемой жидкости - упорядоченно расположенных по направлению потока, - в прототипе силы адгезии внутренней поверхности фильеры не используются для ориентации макромолекул в сторону течения и закрепления их в таком положении.
4. Расчетная формула предлагаемого способа - полученные в результате гидродинамического эксперимента - определяющего величину силы динамического давления потока.
Аналогично методике определения формулы, выражающее число Рейнольдса, в работе [8] рассматривался малый кубический элемент вязкой несжимаемой жидкости, поведение которого исследовалось - в процессе образования упорядоченных мультимолекулярных слоев на стенке капилляра. В соответствии со вторым законом Ньютона определялся импульс силы путем замены объемного расхода величиной силового воздействия потока жидкости на стенки капилляра [2]. В связи с этим рассмотрение отношения импульса силы к величине площади, а также - объема, и к длине стороны указанного элемента, приводит к вычислению соответственно величины коэффициента кинематической вязкости, скорости течения и объемного расхода.
Используя указанную зависимость, можно определить количественное значение силы динамического давления потока F, приводящего к упорядочению структуры граничного слоя воды в капилляре
где Q=(1 микролитр/с) - расход вязкой несжимаемой жидкости, при котором ламинарный режим течения переходит в режим, сопровождаемый укладкой молекул потока на стенке капилляра; в результате чего на стенке капилляра образуются упорядоченные мультимолекулярные неподвижные слои.
Таким образом, механизм когезии частиц ламинарного потока с граничным слоем на качественном уровне можно представить следующим образом. Ориентирующее воздействие динамического давления потока по направлению течения на частицы граничного слоя приводит к упорядочению структуры пристенного слоя жидкости. И такое расположение частиц граничного слоя фиксируется силами адгезии твердого тела. Процесс упорядочения сопровождается усилением межмолекулярных связей, что приводит к увеличению «сдвиговой прочности» граничного слоя. Между слоями потока и упорядоченно расположенными слоями на «поверхности» граничного слоя возникает дополнительная сила взаимодействия, обусловленная появлением у последней избыточной когезионной энергии; которая сопровождается процессом прилипания частиц потока; что приводит к образованию мультимолекулярных неподвижных слоев вязкой несжимаемой жидкости на поверхности твердого тела.
Преимущества заявляемого изобретения
В предлагаемом способе впервые произведена количественная оценка величины силы динамического давления потока, приводящего к упорядочению структуры граничного слоя вязкой несжимаемой жидкости в капилляре. Способ определения величины силы динамического давления потока, приводящего к упорядочению структуры граничного слоя вязкой несжимаемой жидкости в капилляре, представляет чрезвычайно научный и большой практический интерес при разработке методов технологии наносборки - при образовании структурных фрагментов из отдельных молекул при помощи сил адгезии вязкой несжимаемой жидкости и твердого тела.
Литература
1. Ванчиков В.Ц. Устройство определения силы адгезии жидкости и твердого тела // Патент на полезную модель №72764 РФ. - Опубл. 27.04.2008. - Бюл. №12.
2. Ванников В.Ц. Метод определения сил когезии в вязком подслое // Вестник машиностроения. - 2007. - №6. - С.39-40.
3. Ванчиков В.Ц. Ламинарное течение в экологической гидрологии // Экология промышленного производства. - 2007. - №1. - С.43-45.
4. Ванчиков В.Ц. Текучесть воды при облитерации капилляра // Вестник машиностроения. - 2009. - №2. - С.36-39.
5. Ванчиков В.Ц. Течение жидкости в зоне действия сил адгезии твердого тела // Вестник машиностроения. - 2009. - №6. - С.48-52.
6. Киреев В.А. Краткий курс физической химии. - М.: Химия, 1969. - С.578 - 579.
7. Цветков Л.А. Органическая химия. - М.: Просвещение, 1973. - С.196-197.
8. Ванчиков В.Ц. Гидродинамические свойства и методы управления вязким подслоем технических систем. - Канд. дис. Улан-Удэ: Восточ.-Сибир. гос. технол. ун-т, 2001. - 130 с.
1. Способ упорядочения структуры неподвижного граничного слоя вязкой несжимаемой жидкости, отличающийся тем, что производится количественная оценка величины силы динамического давления потока, приводящего к упорядочению структуры граничного слоя вязкой несжимаемой жидкости в капилляре, посредством капиллярного прибора с горизонтально расположенной трубкой диаметром около 200 мкм и длиной 32 мм (модифицированный сталагмометр).
2. Способ упорядочения структуры неподвижного граничного слоя вязкой несжимаемой жидкости по п.1, отличающийся тем, что определяется отношение импульса силы динамического давления потока к длине капилляра, которое приводит к вычислению величины объемного расхода, и последняя позволяет определить величину силы динамического давления потока, приводящего к упорядочению структуры граничного слоя в капилляре.
