Влияние нерастворимого сурфактанта на развитие термокапиллярной конвекции

Конвективные течения..., 2013

ВЛИЯНИЕ НЕРАСТВОРИМОГО СУРФАКТАНТА

НА РАЗВИТИЕ ТЕРМОКАПИЛЛЯРНОЙ КОНВЕКЦИИ

А.И. Мизёв, А.В. Шмыров

Институт механики сплошных сред УрО РАН,

614013, Пермь, Акададемика Королева, 1

Экспериментально исследован процесс возникновения термокапиллярной конвекции от локального источника при наличии на поверхности жидкости пленок поверхностноактивного вещества (сурфактанта). Показано, что на чистой поверхности воды, свободной от любых примесей, конвекция развивается не пороговым образом, независимо от характерного размера межфазной поверхности и мощности источника. Добавление на границу раздела пленки нерастворимого ПАВ даже в малой концентрации приводит к существенному уменьшению интенсивности конвективного движения и сужению области его существования. Влияние адсорбированного ПАВ возрастает по мере уменьшения площади поверхности. Показано, что при фиксированной мощности источника тепла и поверхностной плотности сурфактанта существует критическое значение площади, при которой развитие конвекции Марангони становится невозможным. Обсуждаются возможные механизмы наблюдаемого явления.

Ключевые слова: термокапиллярная конвекция, поверхностноактивные вещества, гидродинамическая неустойчивость

ВВЕДЕНИЕ

Поверхностные (или капиллярные) течения интенсивно исследуются последние несколько десятков лет. Интерес к этой тематике связан в первую очередь с широким распростраением как фунда-

© Мизёв А.И., Шмыров А.В., 2013

Мизёв А.И., Шмыров А.В. Влияние нерастворимого сурфактанта

ментальных, так и прикладных задач, в которых встречается данный класс течений. Возникновение капиллярного движения возможно в любой жидкой системе, имеющей границу с газовой или жидкой фазой. Наиболее распространенной причиной его формирования является градиент поверхностного натяжения, обусловленный неоднородностями температуры, химического состава или электрического потенциала вдоль поверхности жидкости. Соответственно, возникающее движение называется термо-, концентраци-онно- или электрокапиллярным течением Марангони и направлено вдоль градиента поверхностного натяжения. Причем в ньютоновских жидкостях движение развивается при сколь угодно малом значении тангенциального напряжения, приложенного к границе раздела.

В работах [1-3] экспериментально обнаружен и исследован интересный эффект порогового возникновения концентрационнокапиллярного течения. Показано, что в достаточно узких каналах, когда один из характерных размеров межфазной поверхности относительно мал, конвективное движение на поверхности развивается только по достижении некоторого критического значения числа Марангони. При увеличении ширины канала величина порогового значения быстро уменьшается до нуля.

Пороговый характер течения авторы объясняют наличием в исследуемой системе остаточных примесей поверхностно-активных веществ. По мнению авторов, эти примеси, адсорбированные на поверхности раздела, могут приводить к появлению у жидкости неньютоновских свойств. Основанное на таких предположениях теоретическое исследование [3] дало результаты, качественно повторяющие ситуацию, наблюдаемую в эксперименте.

Идея о влиянии адсорбированных пленок ПАВ на условия возникновения и развития поверхностного течения не нова [4], это было исследовано в некоторых частных задачах задолго до появления работ [1-3]. Так, например, в [5-7] было показано стабилизирующее влияние пленок ПАВ на начало конвективного движения в задаче Пирсона. Наличие сурфактанта на межфазной поверхности приводило к изменению структуры течения [8-13], а в некоторых случаях к его полному подавлению. Адсорбция молекул сурфактанта на поверхность всплывающего пузырька вызывает смену режима обтекания [14-16].

Учитывая большое значение величины поверхностного натяжения воды, применяемой в качестве рабочей жидкости в [1-3], пред-

217

Конвективные течения..., 2013

положение о возможном влиянии неконтролируемых примесей представляется вполне правдоподобным. Однако используемая в этих работах экспериментальная методика не лишена ряда недостатков. В частности, авторы не смогли реализовать ситуацию, в которой граница раздела свободна от любых неконтролируемых примесей. Другой недостаток связан со способом создания локальной неоднородности поверхностного натяжения, необходимой для генерации концентрационно-капиллярного течения. В указанных работах для этого на свободную поверхность вносилась капля водного раствора спирта, проявляющего поверхностно-активные свойства по отношению к воде. Внесение сурфактанта (примеси) на границу раздела для создания конвективного движения на поверхности, уже содержащей неконтролируемое количество другой примеси, только усложняет интерпретацию результатов исследования.

Данная работа посвящена экспериментальному изучению порогового развития конвекции Марангони в постановке, максимально исключающей влияние указанных выше неконтролируемых параметров.

1. МЕТОДИКА И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА

Основной проблемой является создание «нулевой» свободной поверхности жидкости, на которой можно реализовать поверхностное течение без влияния осложняющих факторов. Наличие такой поверхности является также необходимым условием для искусственного создания поверхностного слоя примесей с контролируемыми свойствами.

В качестве рабочей жидкости использовалась вода. Поскольку она обладает наибольшим поверхностным натяжением из широкого ряда обычных жидкостей (исключая расплавы металлов и солей), примесь практически любого вещества будет выступать по отношению к ней поверхностно-активной добавкой. Вследствие этого при подготовке каждого опыта применялась многоступенчатая процедура создания «нулевой» поверхности.

Первичная очистка воды производилась путем последовательного пропускания ее через фильтр обратного осмоса, бидистилляции и деионизации. Финишная стадия состояла в удалении примесей непосредственно со свободной поверхности воды перед началом опыта, для чего использовались барьерная система и аспиратор. Эти системы широко применяются в различных задачах физикохимии для очистки границы раздела фаз от поверхностно-активных при-

218

Мизёв А.И., Шмыров А.В. Влияние нерастворимого сурфактанта

месей, постепенно выходящих из объема жидкости, а также с поверхности конструктивных элементов кюветы. Описанная методика доказала свою эффективность в ряде работ [17], также связанных с изучением конвекции Марангони.

В работе в качестве экспериментальной кюветы использован лоток барьерной системы, что позволяет с помощью барьеров вырезать на свободной поверхности узкий канал. Поверхностная природа конвекции Марангони позволяет не рассматривать узкий канал исключительно как ячейку Хеле-Шоу. В частности, можно организовать узкую полоску свободной поверхности, зажатую между твердых границ, под которыми будет располагаться протяженный в двух измерениях объем жидкости. На рис.1 приведена схема экспериментальной установки. Рабочая жидкость наливалась в лоток 1, на бортиках которого располагались барьеры 2. Очистка поверхности 4 проводилась следующим образом: барьеры из полиацеталя (гидрофильный материал), скользя по поверхности воды навстречу друг другу, собирают впереди себя остаточные примеси, которые удаляются с помощью аспиратора. При этом позади барьеров поверхность остается свободной от адсорбированного слоя. Контроль чистоты водной поверхности производится с помощью высокочувствительных весов с пластинкой Вильгельми 5. Если на поверхности воды имеются молекулы ПАВ, то показания весов (пластинка Вильгельми помещена между барьерами) во время движения барьеров будут меняться. В этом случае процедура очистки поверхности повторяется. С помощью такого метода удается достичь максимального для нас уровня очистки поверхности, при котором при уменьшении площади на 90 % показания весов изменяются на

0.2 дин/см, что сопоставимо с погрешностью самого прибора.

Для проведения эксперимента непосредственно в лотке барьеры были немного модифицированы - в каждом из них была сделана прорезь 3 (рис.1). Сдвигая барьеры вдоль их продольной оси в одну или другую сторону, можно добиться того, чтобы барьер разделял свободные поверхности по обе стороны от него или позволял им сообщатся через прорези. При процедуре очистки барьеры использовались в закрытом положении, при этом пластинка Вильгельми помещалась между барьерами (рис.1а). После получения «нулевой» поверхности барьеры приводились в открытое положение, что объединяло свободные поверхности между барьерами и снаружи, при этом пластинка Вильгельми помещалась с краю лотка (рис.1б).

219

Конвективные течения..., 2013

а

б

Рис.1. Схема экспериментальной установки (а - режим очистки поверхности, б - рабочий режим): 1 - лоток барьерной системы (фторопласт), 2 - барьеры (полиацеталь), 3 - прорези, 4 - поверхность воды, 5 - пластинка Вильгельми на весах (платина), 6 - коллиматор излучателя, 7 - тепловое пятно на поверхности, 8 - тепловизор

Наличие прорезей позволяло изменять положение барьеров, сохраняя постоянной суммарную площадь свободной поверхности, и, следовательно, величину поверхностной концентрации сурфактанта. Величина последней контролировалась при помощи весов и пластинки Вильгельми путем измерения поверхностного давления -величины В = Ф2 - Ф1, характеризующей изменение поверхностного натяжения на поверхности с сурфактантом по отношению к чистой водной поверхности.

В качестве нерастворимого сурфактанта использована олеиновая кислота. С помощью микропипетки раствор олеиновой кислоты в высоколетучем и нерастворимом в воде органическом растворителе - гексане - наносился на поверхность воды, где быстро растекался и закрывал всю имеющуюся площадь. По мере испарения растворителя формировался однородный поверхностный слой с контролируемой поверхностной концентрацией.

220

Мизёв А.И., Шмыров А.В. Влияние нерастворимого сурфактанта

Для локального нагрева поверхности воды использован источник тепла, созданный направленным излучением. Для этого при помощи системы линз 6 на поверхность воды проецировалось изображение (2 х 3 мм2) спирали накаливания галогеновой лампы 7. Для фокусировки применены короткофокусные линзы, поэтому световой пучок сходился к поверхности жидкости под большим углом и, соответственно, быстро расходился в объеме. Эта особенность конструкции установки совместно с тем, что вода в инфракрасном диапазоне непрозрачна и поглощение излучения происходит в тонком приповерхностном слое, позволяет утверждать, что созданный источник тепла локализован в тонком приповерхностном слое и существенно не нагревает объем воды вдали от поверхности, что могло бы привести к возникновению объемной тепловой конвекции. Источник питания лампы имел 5 дискретных позиций мощности. Предварительная градуировка показала, что такой источник позволяет изменять температуру на поверхности неподвижной воды с шагом 10 К в интервале 15 - 65 К относительно воды в кювете, температура которой поддерживалась постоянной при помощи термостата и равнялась 15°С. Для градуировки нагревателя на поверхность воды по описанной выше методике наносилась пленка сурфактанта с такой высокой поверхностной концентрацией, что всякое конвективное движение на поверхности подавлялось и теплоперенос от источника приобретал чисто диффузионный характер. Затем включался источник тепла, и пиковая температура в центре теплового пятна фиксировалась инфракрасной (ИК) камерой 8 типа Flir Cedip 320.

Применение камеры обусловлено крайней чувствительностью свободной поверхности воды к наличию каких-либо инородных включений (в том числе и в ее объеме), что делало нежелательным применение методики светового ножа и светорассеивающих частиц для визуализации течений. Вода практически непроницаема для ближнего инфракрасного излучения, поэтому камера регистрирует температуру тонкого приповерхностного слоя. Таким образом, с помощью ИК камеры можно измерять интересующий нас профиль температуры на поверхности, а по характеру этого профиля судить о наличии или отсутствии конвективного движения.

Предварительные исследования показали, что температурные профили, соответствующие диффузионному и конвективному режиму тепломассопереноса, качественно различаются (рис.2). При отсутствии движения, когда теплоперенос осуществляется только

221

Конвективные течения..., 2013

диффузионным механизмом, температурный профиль вдоль отрезка, проходящего через центр источника тепла, имеет вид острого высокого пика (рис.2а). Подобные кривые получаются и при нагреве твердой нетеплопроводной поверхности. Ситуация, показанная на рис.2Ь, соответствует случаю развитой конвекции Марангони на поверхности чистой воды. Наличие достаточно интенсивного течения, занимающего всю поверхность, существенно уменьшает температуру в центре источника. Нанесение небольшого количества сурфактанта на поверхность воды позволяет реализовать промежуточный случай (рис.2с). Дополнительные наблюдения за свободной поверхностью воды показывают, что в этом случае на участке поверхности, соответствующем плоской вершине пика, действует конвективный теплоперенос, а в остальной области движения - нет, и теплоперенос диффузионный.

Рис.2. Характерный вид температурных профилей в радиальном сечении теплового пятна: теплоперенос диффузионный (а),

конвективный

Все опыты выполнены в соответствии со следующей методикой. После очистки поверхности воды барьеры приводились в открытую позицию. При этом любые изменения поверхностного натяжения регистрировались весами с пластинкой Вильгельми, размещенной с края лотка барьерной системы. Затем вносилось заданное количество сурфактанта, который равномерно заполнял всю поверхность воды. Далее барьеры, будучи в открытом положении, сдвигались навстречу друг другу на нужную величину, отделяя поверхность определенной площади (при этом поверхностная концентрация сурфактанта не изменялась). На следующей стадии барьеры сдвигались в продольном направлении, закрывая прорези и тем самым изолируя выбранную свободную поверхность. Включался тепловой источник, и регистрировалось распределение температуры на по-

222

Мизёв А.И., Шмыров А.В. Влияние нерастворимого сурфактанта

верхности. После этого источник тепла выключался, барьеры приводились в открытое положение, и процедура измерений повторялась для канала той же ширины, но с открытыми прорезями. Такие серии парных измерений выполнялась при неизменной величине поверхностного давления для каналов разной ширины d , вплоть до минимально достижимого в эксперименте зазора между барьерами, составляющего 3 мм.

2. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА

Опыты с «нулевой» поверхностью продемонстрировали безпоро-говое возникновение конвекции Марангони на поверхности любой площади, заключенной между барьерами, и любой мощности источника. Температурные профили и величина максимальной температуры в пике практически не изменялись при переходе от открытого канала к закрытому и обратно. Более того, никаких изменений не наблюдалось и по мере сближения барьеров. Нанесение пленки сурфактанта немедленно приводило к возникновению разницы между случаями открытого и закрытого каналов. Из-за относительной слабости термокапиллярных эффектов диапазон используемых поверхностных концентраций олеиновой кислоты оказался весьма узок: от 0 до 3.26 10-10 моль/см2, что соответствует поверхностному давлению, возникающему на поверхности в 5 дин/см. Более концентрированные пленки, для которых B > 8 дин/см, полностью подавляли капиллярную конвекцию от теплового источника при любой его мощности, достижимой в эксперименте.

На рис.3 приведена зависимость максимальной температуры в центре теплового пятна от ширины зазора между барьерами T (d). Все кривые получены для одной и той же мощности теплового источника. На графике приведены пары кривых для трех различных значений B , одна кривая каждой пары соответствует случаю, когда прорези открыты и канал сообщается с остальной поверхностью, вторая кривая соответствует случаю закрытых прорезей. Для открытых каналов T практически не зависит от ширины зазора. Соответственно, и пропорциональная ей интенсивность течения также не зависит от наличия близкорасположенных твердых границ. Вид самих температурных профилей несколько меняется в узких каналах, но это естественно - течение, зажатое между стенками, приобретает все более ярко выраженный двумерный характер.

223

Конвективные течения..., 2013

a: B = 1.7 дин/см

б: B = 3.2 дин/см

т:°с

40

30

20

в: B = 3.7 дин/см

Рис.3. Зависимость максимальной температуры в центре теплового пятна от расстояния между барьерами в открытом (1) и закрытом (2) положении

Напротив, температурные профили, соответствующие закрытому каналу, существенно отличаются, особенно в области малых расстояний между барьерами. По мере сближения барьеров максимальная температура в пике профиля увеличивается, что говорит об уменьшении интенсивности термокапиллярного течения. При малых расстояниях между барьерами профиль температуры имеет вид высокого пика с небольшим плато на вершине, что соответствует слабой конвективной ячейке, расположенной непосредственно

224

Мизёв А.И., Шмыров А.В. Влияние нерастворимого сурфактанта

вблизи источника тепла. Нужно отметить, что в случае больших значений поверхностной плотности сурфактанта (кривая, соответствующая B = 3.7 дин/см на рис.3) построить профиль температуры в области малых d не удается, поскольку его вид в этом случае теряет характерные особенности, сигнализирующие о наличии конвективного движения. С большой долей уверенности можно считать, что в этой области параметров движения на поверхности нет, и теплоперенос носит чисто диффузионный характер. Таким образом, при фиксированной поверхностной плотности сурфактанта и мощности источника существует критическое значение ширины канала, меньше которого конвекция Марангони не развивается.

Рис.4. Колебание температуры вблизи центра теплового пятна

Также представляет интерес явление, наблюдавшееся при определенном соотношении параметров. На рис.4 представлена временная зависимость температуры в центре теплового пятна. Видно, что температура меняется периодически со временем с частотой около 7 Гц и амплитудой 1°С. Визуальные наблюдения за отдельными случайными пылинками на поверхности жидкости обнаружили колебательный характер их движения в радиальном направлении, от центра теплового пятна. Амплитуда этих перемещений составляла 1-2 мм. Природа этих колебаний не совсем ясна и требует дальнейшего изучения.

225

Конвективные течения..., 2013

3. ОБСУЖДЕНИЕ результатов

Приведенный выше вид зависимостей позволяет сделать заключение, что при одной и той же ширине канала основную роль играет сообщение свободной поверхности в канале с оставшейся поверхностью в лотке. Это позволяет предположить, что определяющим параметром в пороговом возникновении конвекции является площадь доступной поверхности, а не ширина зазора.

а

J

б

Рис.5. Вид теплового пятна в узком канале до (а) и после (б) открытия прорезей. Кадры получены при помощи тепловизора

В пользу этого предположения свидетельствуют результаты, приведенные на рис.5. В закрытом канале при наличии сурфактанта определенной концентрации под действием источника тепла формируется распределение температуры, характерное для диффузионного теплопереноса (рис.5а). При включенном источнике тепла барьеры сдвигаются в продольном направлении, тем самым открывая прорези, после чего нагретая поверхность жидкости моментально приходит в движение, устремляясь за барьеры (рис.5б).

Сопоставим результаты наблюдения с данными работы [17], где показано, что наличие пленки нерастворимого сурфактанта и точечного источника растворимого ПАВ на поверхности приводит к различным сценариям развития течений в зависимости от соотношения управляющих параметров задачи: числа Марангони Ma и поверхностной концентрации Г. В случае относительно малых Ma и больших Г реализуется сценарий, при котором основное осесимметричное течение оттесняет пленку сурфактанта от источника на небольшое расстояние r . За пределами круга радиуса r пленка сурфактанта приводит к развитию вторичного многовихре-

226

Мизёв А.И., Шмыров А.В. Влияние нерастворимого сурфактанта

вого течения, а на периферии - к образованию застойной зоны, в которой течение полностью подавлено наличием пленки. Требуется некоторая мощность источника, чтобы раздвинуть пленку и сформировать основное течение. Баланс сил на границе этого круга достигается за счет того, что при сжатии пленки концентрация Г растет, а интенсивность основного течения по мере удаления от источника падает.

Аналогичным образом можно трактовать данные, приведенные на рис.5. При перекрытых прорезях мощности источника недостаточно, чтобы сжать пленку ПАВ и вызвать капиллярную конвекцию. Но как только протоки открываются, доступная площадь многократно увеличивается и сжать пленку становится много легче, так как относительная степень сжатия на большой площади поверхности становится пренебрежимо малой. Открытие прорезей равносильно многократному усилению мощности источника тепла, что в данном эксперименте реализовать невозможно.

В дополнительных опытах было обнаружено, что достаточно очищенную воду привести в контакт со стеклянными деталями кювет, использовавшимися в [1-3] (например, просто положить стеклянный фрагмент в лоток), как на поверхности образуется пленка сурфактанта с B ~ 20 - 30 дин/см. Тщательная промывка и длительное замачивание в деионизированной воде (которая является хорошим растворителем) таких стеклянных фрагментов существенно ситуацию не меняли. Опыты с разными стеклянными поверхностями показали, что, скорее всего, различные примеси и остатки моющих веществ накапливаются в многочисленных порах и микротрещинах матированных поверхностей, образующихся после таких операций по обработке стекла, как пиление и шлифовка. Полированные поверхности сохраняют меньше примесей, а наиболее чистыми поверхностями являются литые, которые не подвергались механической обработке. Авторы использовали для визуализации концентрационных полей интерференционный метод, собрать же кювету для интерференции, не прибегнув к механической обработке стекла, невозможно; соответственно, матированные поверхности, накапливающие грязь, в таких кюветах есть всегда. Видимо, поэтому тщательная промывка кювет и предварительная очистка воды не позволила авторам реализовать безпороговый случай возникновения концентрационно-капиллярной конвекции, несмотря на то, что концентрационные эффекты значительно сильнее тепловых.

227

Конвективные течения..., 2013

Заключение. Представленные в статье результаты экспериментального исследования наглядно показывают, что развитие тепловой конвекции Марангони существенно зависит от наличия пленки сурфактанта на межфазной поверхности. На чистой поверхности, свободной от каких-либо примесей, конвективное движение возникает безпороговым образом. Внесение на поверхность жидкости молекул поверхностно-активного вещества даже в малой концентрации приводит к существенному уменьшению интенсивности конвективного движения вплоть до невозможности его развития. По мере уменьшения площади свободной поверхности пороговое значение мощности источника тепла, при котором возникает конвективное движение на поверхности, существенно возрастает.

Работа выполнена при финансовой поддержке проекта РФФИ № 11-01-00656, проекта № 12-С-1-1006 Программы межрегиональных фундаментальных исследований УрО РАН и Пермского краевого проекта МИГ № С-26-210.

СПИСОК ССЫЛОК

1. Денисова М.О., Костарев К.Г. О возникновении конвекции Марангони, вызванной локальным внесением ПАВ: (эксперимент) // Конвективные течения. Вып. 4. Пермь: ПГПУ, 2009. С. 85-106.

2. Threshold onset of Marangoni convection in narrow channels / A. Mizev, M. Denisova, K. Kostarev et al. // Eur. Phys. J. Special Topics. 2011. Vol. 192. P. 163-173.

3. Бирих Р.В., Денисова М.О., Костарев К.Г. Возникновение конвекции Марангони, вызванной локальным внесением ПАВ // Изв. РАН. МЖГ. 2011. № 6. С. 56-68.

4. Левич В.Г. Физико-химическая гидродинамика. Изд. 2-е. М.: Физматлит, 1959. 700 с.

5. Berg J.C., Acrivos A. The effect of surface active agents on convection cells induced by surface tension // Chem. Eng. Sci. 1965. Vol. 20. P. 737-745.

6. Непомнящий Ф., Симановский И. Термокапиллярная

конвекция в двухслойной системе в присутствии сурфактанта на поверхности // Изв. АН СССР. МЖГ. 1986. № 2. С. 3-8.

228

Мизёв А.И., Шмыров А.В. Влияние нерастворимого сурфактанта

7. Mikishev A., Nepomnyashchy A. Long-wavelength Marangoni convection in a liquid layer with insoluble surfactant // Micr. Sci. Tech. 2010. Vol. 22. P. 415-423.

8. Пшеничников А.Ф., Яценко С.С. Конвективная диффузия от

сосредоточенного источника поверхностно-активного

вещества // Ученые записки ПГУ. Гидродинамика. Вып. V. 1974. № 316. С. 175-181.

9. Nagy P., Neitzel G. Failure of thermocapillary-driven permanent nonwetting droplets // Phys. Fluids. 2009. Vol. 21. 112106.

10. Priede J. et al. Experimental and numerical study of anomalous thermocapillary convection in liquid gallium // Physics of Fluids. 1999. Vol. 11. P. 3331-3339.

11.Schwabe D., Mizev A.I. Particles of different density in thermocapillary liquid bridges under the action of travelling and standing hydrothermal waves // Eur. Phys. J. ST. 2011. Vol. 192. P. 13-27.

12. Linde H., Friese P. Experimental evidence of new hydrodynamic surface instability // Z. Phys. Chem. (Leipzig), 1971. Vol. 247. P. 225-230 (in German).

13. Mizev A. Influence of an adsorption layer on the structure and stability of surface tension driven flows // Physics of Fluids. 2005. Vol. 17. 122107.

14. Loglio G. et al. Rising of gas bubbles in aqueous medium in presence of surfactants // Il Nuovo Cimento. 1989. Vol. 12. P. 289304.

15.Surfactant effect on the bubble motion / S. Takagi, T. Ogasawara, M. Fukuta, Y. Matsumoto // Fluid Dyn. Res. 2009. Vol. 41, No 6. P. 1-17.

16.Griffith R. The effect of surfactants on the terminal velocity of bubbles // Cem. Eng. Sci. 1962. Vol. 17. P. 1057-1070.

17.Instability of Marangoni flow in the presence of an insoluble surfactant. Experiment / A. Mizev A., Trofmenko D., Schwabe, A. Viviani // Eur. Phys. J. Special Topics. 2013. Vol. 219. P. 89-98.

229

Конвективные течения..., 2013

THE EFFECT OF INSOLUBLE SURFACTANT ON THE DEVELOPMENT OF THERMOCAPILLARY CONVECTION

A.I. Mizev, A.V. Shmyrov

Abstract. A series of experiments have been conducted to investigate the development of thermocapillary convection induced by a local heat source in the presence of surfactant films on the fluid surface. It has been shown that on a clean water surface free from any impurities the development of convection occurs in a non-threshold manner without regard to the characteristic dimension of the interface and source power. The addition of insoluble surfactant even of inessential concentration significantly decreases the intensity of convective motion and reduces the region of its existence. The influence of the adsorbed surfactant increases with decreasing surface area. It has been shown that at some fixed values of the source power and surface density of the surfactant there exits a critical value of the surface area, at which the Marangoni convection cannot be realized. Possible mechanisms involved in the observed phenomenon are discussed.

Key words: thermocapillary convection, surfactant, hydrodynamic instability

230