СПОСОБ СТАБИЛИЗАЦИИ РАЗМЕРА МИКРОКАПЕЛЬ, ОБРАЗУЮЩИХ ДИССИПАТИВНУЮ СТРУКТУРУ "КАПЕЛЬНЫЙ КЛАСТЕР"
METHOD OF STABILISING SIZE OF MICRODROPLETS FORMING DISSIPATIVE "DROPLET CLUSTER" STRUCTURE

Изобретение относится к высокоточным способам управления и манипуляции сверхмалыми объемами жидкости и может применяться при решении ряда задач микромасштабной гидрогазодинамики, теплофизики, микрофлюидики.
Для способов сверхточного дозирования жидкостей [RU 2271519, опубл. 10.03.2006. Бюл. №7; RU 2333465, опубл. 10.09.2008. Бюл. №25], основанных на явлении «Капельный кластер», актуальны технические решения, позволяющие стабилизировать во времени размер микрокапель. Проблема обусловлена тем, что в стандартных условиях [RU 2271519, опубл. 10.03.2006. Бюл. №7; RU 2333465, опубл. 10.09.2008. Бюл. №25] капли кластера подвержены конденсационному росту [1], скорость которого пропорциональна температуре межфазной поверхности (МФП) жидкость-газ под кластером и может достигать значений порядка 1 мкм/с [2]. Учитывая, что объем и масса капли пропорциональны ее диаметру в третьей степени, конденсационный рост капель может существенно снижать точность дозирования жидкости.
Технический результат предлагаемого изобретения - стабилизация размера капель кластера, простота технической реализации и высокая эффективность способа.
В предлагаемом способе эффект стабилизации размера капель кластера достигается за счет частичного испарения капли под действием электромагнитного излучения, хорошо поглощаемого веществом капель. Схема эксперимента, подтверждающего эффективность такого способа, показана на Фиг. 1. Здесь: 1 - капельный кластер, 2 - кювета с тонким горизонтальным слоем воды 3 (радиальное сечение), 4 - источник инфракрасного (ИК) излучения, 5 - объектив стереомикроскопа. Конструкция встроенного в дно кюветы нагревателя 6 подробнее отражена на вставке справа: 7 - металлический стержень диаметром 1 мм, который вклеен заподлицо на эпоксидную смолу 8 в дно кюветы; на стержень навита изолированная нихромовая проволока 9.
2
При пропускании электрического тока нихромовая проволока разогревается, через металлический стержень тепло передается слою жидкости и над нагревателем формируется капельный кластер. Спектральный диапазон ИК-источника попадает на полосу поглощения воды, однако облучение практически не влияет на распределение температуры в объеме слоя (плотность мощности ИК-излучения в сечении слоя весьма мала - порядка 10 мВт/см). В то же время такое воздействие достаточно для повышения температуры микрокапель и интенсификации испарения с их поверхности, что позволяет управляемо снижать скорость конденсационного роста и стабилизировать размер капель кластера.
cp
В качестве примера на Фиг. 2 приведены экспериментальные данные, характеризующие скорость изменения диаметра капель кластера. Для наглядности рассмотрен кластер из четырех капель, каждая из которых легко идентифицируется на последовательных кадрах (d - средний по 4-м каплям диаметр). Размер капли зависит от длительности ее нахождения в кластере, поскольку формирование кластера было растянуто по времени, на момент начала видеозаписи (t=0 с) капли заметно отличались по диаметру. На графике первые 30 секунд соответствуют периоду, в течение которого на кластер оказывалось воздействие ИК-излучения, в момент t=30 с ИК-источник был выключен и конденсационный рост капель возобновился (мощность нагревателя, индуцирующего капельный кластер, все время оставалась постоянной). В рассмотренном случае применение ИК-источника позволило снизить скорость роста диаметра капель с 0.39 мкм/с до 0.01 мкм/с, т.е. почти в 40 раз.
Новый способ сочетает простоту технической реализации и высокую эффективность, позволяя в течение длительного времени стабилизировать размер капель кластера с точностью не хуже десятых долей мкм.
ЛИТЕРАТУРА
1. Федорец А.А. Механизм стабилизации положения капельного кластера над межфазной поверхностью жидкость-газ // Письма в ЖТФ. - 2012. - №21. - С. 63-69.
2. Федорец А.А. Эффекты тепломассопереноса при локальном нагреве межфазной поверхности жидкость-газ. Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук / Тюменский государственный университет. Тюмень, 2011, 46 с.