авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Разработка устройств для исследования свойств жидкости в капиллярной гидродинамике

На правах рукописи

Кирколуп Евгений Романович

РАЗРАБОТКА УСТРОЙСТВ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ СВОЙСТВ

ЖИДКОСТИ В КАПИЛЛЯРНОЙ ГИДРОДИНАМИКЕ

01.04.01 – приборы и методы экспериментальной физики

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Барнаул – 2008

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Алтайский государственный университет»

и в ГОУ ВПО «Алтайский государственный медицинский университет»

Научный руководитель:

– доктор технических наук, профессор Волков Валерий Иванович

Официальные оппоненты:

– доктор физико-математических наук, профессор Букатый Владимир Иванович – кандидат технических наук, старший научный сотрудник Буфетов Николай Сергеевич

Ведущая организация: – ГОУ ВПО "Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова"

Защита состоится « 18 » декабря 2008 г. в 12 часов на заседании диссертационного совета Д 212.005.03 в Алтайском государственном университете по адресу: 656049, г. Барнаул, пр. Ленина, 61.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Алтайского государственного университета Автореферат разослан « 17 » ноября 2008 г.

Ученый секретарь Рудер Д.Д.

диссертационного совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы:

Исследование свойств и характеристик жидкостей, таких как поверх ностное натяжение, вязкость, процесс растекания жидкости по твердой под ложке, требуются во многих отраслях промышленности: в нефтедобывающей и перерабатывающей промышленности, в химической технологии, в хромато графии и фармакологии. Важной особенностью поведения жидкости является ее растекание по твердой поверхности. Например, нанесение пленок, струй ная печать, методы оценки степени чистоты твердых поверхностей, третич ные способы вытеснения нефти из недр основаны на явлении смачивания жидкости твердых поверхностей.

Однако, несмотря на широкое использование явления смачивания в современных технологиях, существует еще большое количество нерешенных проблем в этой области, так как все межфазные эффекты весьма чувствитель ны к примесям и физическому состоянию поверхности (шероховатостям, дислокациям). Кроме того, межфазную поверхность твердое тело – жидкость исследовать существенно сложней, чем, например, поверхность твердое тело – вакуум. Особое внимание при изучении растекания следует уделять двум подобным неравновесным явлениям – гистерезису краевых углов, связанному с зацеплением линии контакта за локализованные дефекты, и режиму «сухого растекания», когда конечное состояние растекшейся капли может быть плен кой значительно превышающей толщину мономолекулярного слоя. Еще од ним деликатным вопросом является динамика растекания, которая указывает на различие между простыми жидкостями, растекающимися накатыванием на поверхность и расплавами полимеров, которые могут скользить по поверхно сти подложки.

Для изучения этих неравновесных явлений используются в основном оптические и волновые методы исследования, что делает их достаточно доро гостоящими и трудоемкими. Но практически все экспериментальные методы, использующие электронные пучки, за исключением некоторых (флуоресцен ция, ЭПР и др.), не могут быть применимы для исследования жидкостей, либо их область применения слишком ограничена. Это касается и электрохимиче ских методов исследования. Другими словами, в настоящий момент все еще существует необходимость создания приборной и методической базы для ис следования свойств жидкости в капиллярной гидродинамике, которые бы по зволяли оперативно определять поверхностное натяжение, относительную вязкость и напряжение начального сдвига жидкости.

Цель и задачи работы.

Основной целью работы являлась разработка устройств и методов ис следования свойств жидкости, определяющих поведение жидкости в капил лярной гидродинамике. При этом ставились следующие задачи:

1. Разработка устройств для исследования вязкого трения при капилляр ном натекании и проведение с их помощью экспериментов по выявлению ха рактера течения жидкости.

2. Разработка устройства для исследования напряжения начального сдви га.

3. Разработка методик для исследования гистерезиса смачивания и расте кания жидкости по твердой подложке.

Научная новизна работы 1. Предложен новый способ для измерения относительной вязкости жид кости и разработано устройство, реализующее данный способ.

2. Обнаружен скачкообразный характер движения жидкости по верти кальному капилляру и предложена методика фиксации прекурсионной плен ки, предшествующей растеканию, с помощью созданной установки для ис следования движения границы раздела жидкости по вертикальному капилля ру.

3. Предложена оценка напряжения начального сдвига и впервые исследо вана его зависимость от толщины пленки жидкости с использованием разра ботанного для этого устройства.

4. На основании методики исследования растекания жидкости по твердой подложке предложена математическая оценка краевых углов натекания жид кости на горизонтальных подложках прямоугольной и треугольной форм.

Практическая значимость Разработанные новые способ и устройство для измерения относитель ной вязкости жидкости позволяют оперативно и достоверно определять отно сительную вязкость исследуемой жидкости и дополнительно определять ко эффициент поверхностного натяжения жидкостей для текущих значений тем пературы и влажности.



Создана установка для исследования движения границы раздела жид кости по вертикальному капилляру, благодаря которой можно исследовать характер капиллярного натекания и регистрировать краевые углы смачива ния.

Разработанное устройство для исследования напряжения начального сдвига жидкости позволяет исследовать зависимость напряжения начального сдвига от толщины пленки жидкости.

Разработана новая методика исследования гистерезиса смачивания жидкостей и предложен критерий оценки краевого угла натекания при расте кании жидкости по твердой подложке.

Достоверность и обоснованность результатов Достоверность и обоснованность результатов исследования достигает ся физической обоснованностью поставленных задач, логической взаимосвя зью полученных результатов, объемом экспериментальных данных, примене нием статистических методов обработки экспериментальных данных и срав нением их с результатами других исследований, согласием расчетных и экс периментальных характеристик.

Личный вклад автора диссертационной работы Диссертационная работа является полностью самостоятельной работой автора и написана по результатам исследований, выполненных лично авто ром, либо при его непосредственном участии.

Апробация работы Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международной научной конференции "Измерительные и информационные технологии в охране здоровья МЕТРОМЕД-2007.

(г. Санкт–Петербург, 17-19 апреля 2007г.);

Всероссийской научно практической конференции с международным участием: Приоритетные на правления науки и техники, прорывные и критические технологии: «Энерге тические, экологические и технологические проблемы экономики» (ЭЭТПЭ– 2007) (г. Барнаул, 17-20 октября 2007 г.);

Международной научной конферен ции «Exploitation of agricultural and food industry by-products and waste material through the application of modern processing techniques» (г. Бухарест, Румыния, 1–3 июля 2008);

Всероссийской научно-практической конференции с между народным участием: Приоритетные направления науки и техники, прорывные и критические технологии: «Энергетические, экологические и технологиче ские проблемы экономики» (ЭЭТПЭ–2008) (г. Барнаул, 1-4 октября 2008 г.) Публикации По результатам диссертационной работы опубликовано 17 печатных работ.

Структура и объем диссертации Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы и приложения. Она изложена на 146 страницах, включая 57 рисунков, список литературы из 109 названий в основной части и 30 в приложении.

Основные положения, представляемые к защите 1. Устройство и способ измерения относительной вязкости жидкости.

2. Установка для исследования движения границы раздела жидкости по вертикальному капилляру.

3. Устройство для исследования напряжения начального сдвига жидко сти.

4. Методика исследования растекания жидкости на горизонтальных под ложках прямоугольной и треугольной форм, позволяющая сделать математи ческую оценку краевых углов натекания жидкости.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность выбранной темы, обсужда ются цели и задачи работы, а также основные защищаемые положения.

В первой главе представлен литературный обзор приборной и методи ческой базы для исследования растекания жидкости по твердым подложкам, вязкого трения, коэффициента поверхностного натяжения и начальных на пряжений сдвига жидкости и изменения свойств жидкости после кавитацион ной обработки. Исследованию растекания жидкости и ее поверхностным свойствам посвящено большое количество работ, в которых описываются контактные и бесконтактные методы экспериментального исследования гис терезиса краевых углов, поверхностного натяжения, напряжения начального сдвига и вязкости. Из приведенных работ можно заметить, что, в основном, эти методы основаны на экспериментальном исследовании жидкостей при их движении, а это приводит к необходимости учета сил трения и поведения жидкости под действием этих сил. Обзор измерительных устройств вязкости, поверхностного натяжения и напряжения начального сдвига показал, что до настоящего времени существовало сравнительно мало разработок, которые бы позволили просто, а главное оперативно определять эти параметры. Расчет коэффициента вязкости в ряде методов опирается на табличные значения фи зических характеристик жидкости (коэффициент поверхностного натяжения, плотность), которые меняются в зависимости от влажности и температуры.

Кроме того, свойства биологических жидкостей являются индивидуальными для каждого организма, поэтому для них известные методы измерения вязко сти могут приводить к существенным погрешностям.

Во второй главе описаны устройства для диагностики вязкости и каса тельного напряжения сдвига жидкости. В капиллярной гидродинамике при движении жидкости в капиллярах очень часто основными силами, опреде ляющими характер движения, являются силы вязкого трения и силы поверх ностного натяжения. При этом уравнение движения жидкости в тонком ка пилляре, расположенном под углом к горизонту запишется в виде:

d (mV ) 2 cos 2 U (1) r g(z z d )r 2 sin( ) 2rz = r dt r где m = r 2 z – масса жидкости, V = dz – средняя расходная скорость, – ко dt эффициент поверхностного натяжения, – краевой угол, r – радиус капилля ра, – плотность жидкости, g – ускорение свободного падения, r2– площадь сечения капилляра, z –координата мениска жидкости в капилляре, z d – длина погруженного в жидкость участка, = · – динамическая вязкость жидкости, U – градиент скорости жидкости вблизи стенки капилляра, где становится r существенной вязкость жидкости, 2rz – площадь поверхности капилляра.

Приведем выражение (1) к виду удобному для решения и найдем градиент r U r 2rdr V U скорости для пуазейлевского течения =, где = 8/3 – па = r r r раметр, определяемый из усреднения градиента скорости по сечению канала.

Предположим, что для непуазейлевского профиля скорости градиент скоро сти будет определятся тем же выражением, но с иным значением. Тогда вы ражение (1) запишется в виде:

d dz 2 cos 2 dz (2) g(z z d ) sin 2 z z = r dt dt dt r Считая, что движение жидкости в капилляре происходит главным образом за счет силы поверхностного натяжения cos = rgh, полученное дифферен циальное уравнение (2) имеет для случая горизонтально расположенного ка пилляра следующее решение:





r 2 gh. (3) z2 = t Помимо этого, было получено модифицированное уравнение процесса затекания жидкости в капилляр, расположенный под некоторым углом к го ризонту:

2 ' dw.

d 2w = 1 w sin 2 dt r dt где w и – безразмерные координаты смещения и времени, – параметр, по лучаемый при увеличении из выражения (2) для того чтобы добиться хоро шего согласия точного теоретического решения и экспериментальных дан ных. Кроме того, исходя из проведенных исследований, был сделано предпо ложение, что скорость жидкости вблизи стенки цилиндрического капилляра имеет максимальное значение, существенно превышающее и среднее значе ние скорости, и скорость в центре капилляра.

Из выражения (3) теоретически возможно определить вязкость, если известны все физические величины, входящие в ее состав. Однако для иссле дования динамики движения жидкости по капилляру необходимо было бы дополнительно исследовать профиль скорости жидкости в капилляре. Поэто му был предложен способ измерения относительной вязкости биологической жидкости в двух горизонтальных капиллярах (Пол. решение о выдаче пат.

Форма №01 ИЗ-2008 от 02.04.2008 №2006135687), в котором вязкость иссле дуемой жидкости устанавливается по характеристикам ее движения относи тельно эталонной:

hR 2 L2, (4) = э э hэ R э2 L где э, – кинематические вязкости эталонной и исследуемой жидкостей, h э, h – высоты капиллярного поднятия эталонной и исследуемой жидкостей в поле тяжести, RRэ, R – радиусы капилляров по которым текут соответственно эталонная и исследуемая жидкость, L э, L – длина растекания – коэффициент пропорциональности который зависит от материала капилляров и от профиля скорости исследуемой и эталонной жидкостей. Этот коэффициент учитывает возможную разницу адгезионных свойств стекол и определяется с помощью эталонной жидкости. Выражение (4) можно получить из (3), если считать время движения жидкостей по капиллярам одинаковым, а отношение профи лей скорости обозначить за. Наиболее близким по техническому результату к предложенному способу является метод измерения относительной вязкости жидкости медицинским вискозиметром Гесса. Но данный метод имеет ряд недостатков – это малый диапазон измерения относительной вязкости и пре небрежение силами адгезии, которые вносят существенный вклад в движение жидкости по горизонтальному капилляру.

Для реализации предложенного способа было создано устройство, представленное на рис. 1. Устройство для определения относительной вязко сти биологических жидкостей (рис. 1) состоит из корпуса 1, на котором нахо дятся сосуды 2, сообщающиеся с горизонтальными капиллярами 3 и 4, вы полненными из стеклянных трубок различным внутренним диаметром, кото рые крепятся к корпусу 1 с помощью крепежной планки 5. С другой стороны капилляры 3 и 4 сообщаются с помощью гибких трубок 6, которые проходят через зажимы 7 корпуса 1 с трехходовым вентилем 8. Крепежная планка крепится с помощью винта 9 к одной из стоек 10 корпуса 1, другие стойки удерживают сосуды 2 на корпусе 1.

Рис. 1 Устройство для измерения относительной вязкости биологических жидкостей.

Методика измерений состоит в следующем. Предварительно опреде ляется высота капиллярного поднятия эталонной и исследуемой жидкостей в поле тяжести, таким образом, отпадает необходимость знать коэффициент поверхностного натяжения обеих жидкостей. Далее измеряют длины одно временного растекания эталонной и исследуемой жидкостей по горизонталь ным капиллярам, и определяют кинематическую вязкость из соотношения (4).

Достигаемый в предлагаемом способе измерения относительной вяз кости биологических жидкостей положительный эффект заключался в сле дующем: увеличивался диапазон измерения относительной кинематической вязкости за счет увеличения диаметра капилляра для исследуемой жидкости (см. табл. 1). А учет сил адгезии и профиля скорости по сечению капилляров позволил определять это значение более достоверно. Кроме того, появляется возможность оценки коэффициента поверхностного натяжения жидкостей по максимальной высоте поднятия жидкости в капиллярах для текущих значе ний температуры и влажности.

Таблица 1 Техническая характеристика устройства для измерения относи тельной вязкости биологических жидкостей Диапазон измерения относительной кинематической вязкости, 1 …3,5· мм2/с Диаметр капилляра для эталонной жидкости, 10-3 м 0, Диаметр капилляра для исследуемой жидкости, 10-3 м 0,34 … Суммарная ошибка измерения, % 4 … Рассчитаем динамический диапазон установки и проведем его анализ для различной точности определяемого значения вязкости исследуемой жид кости относительно эталонной, в качестве которой брали этиловый спирт, так как вязкость и поверхностное натяжение этилового спирта менее всего под вержены влиянию окружающей среды либо это влияние можно легко опреде лить по известным зависимостям. Сначала рассчитаем суммарную ошибку измерения относительной вязкости данным устройством по формуле 2 2 2 2 2 hэ 2R э 2L э h 2R 2L + + + + э + + = h R L h R L э э э э которая будет зависеть от точности измерения длины растекания исследуе мой жидкости. Возьмем точность измерения длины растекания исследуемой жидкости в пределах от 2 до 10 %, тогда суммарная ошибка измерения отно сительной вязкости составит 4 – 11%. При этом для точности измерения рав ной 4 % диапазон измерения относительной кинематической вязкости будет равен 1…150 мм2/с, а для точности равной 11 % – 1…3500 мм2/с.

Для верификации предложенного способа и проверки работы создан ного устройства были проведены многочисленные эксперименты по измере нию вязкости некоторых жидкостей. Отдельные результаты этих измерений приведены в табл. 2, из которой видно, что предложенный метод позволяет с экспериментальной точностью определять значение кинематической вязко сти, если известна вязкость эталонной жидкости.

Таблица 2 Экспериментальные данные по измерению различных типов масел относительно этилового спирта Тип масла Экспериментальные данные полученные в данной работе другими исследователями t, 0C t, 0C Вязкость, мм2/с Вязкость, мм /с Mobil Super 10w/40 25 100±9 40 100 13, Трансформаторное 26 18±2 20 24, масло ГК 25 19, 30 15, Рапс 25 67±7 20 88, 25 72, 30 58, Иногда, в силу особенностей биологиче ских жидкостей, необходимо оперативно изме рять их капиллярные свойства, например вяз кость крови, достаточно проблематично опре делить с помощью вискозиметра Гесса более двух раз для одной и той же пробы из-за ее бы строй свертываемости. Поэтому было предло жено новое устройство для определения отно сительной вязкости жидкости – это вискози метр для биологических жидкостей (Пат. RU №2319134 С2 Бюл. №7 10.03.2008). Данное устройство представляет собой компактный вискозиметр для экспресс-анализа исследуемой вязкой среды.

Технический результат достигается тем, что данное устройство содержит регулируемый зажим 9 на выходе полого корпуса 1, прозрач ный капилляр 2, закрепленный коаксиально внутри полого корпуса, образуя коаксиальный Рис. 2. Вискозиметр для зазор 3 таким образом, что максимальная высо биологических жидкостей та поднятия эталонной жидкости в капилляре и коаксиальном зазоре одинакова. При этом по лый корпус и капилляр жестко прикреплены к нижней части ванны 4, со стоящей из внутренней 5 и внешней 6 герметичных емкостей для забора эта лонной и исследуемой жидкостей. Исследуемую жидкость наливают во внут реннюю емкость, которая сообщается с коаксиальным зазором через отвер стие 7 полого корпуса, а эталонную жидкость наливают во внешнюю полость, сообщающуюся с капилляром. Кроме того, на высоте, равной половине высо ты максимального поднятия эталонной жидкости в капилляре, сделана метка для удобства измерения.

Вискозиметр для биологических жидкостей позволяет снизить трудо емкость испытаний, сокращает затраты времени на эксперимент, что обеспе чивает возможность проведения быстрого экспресс-анализа вязкости различ ных биологических жидкостей;

дополнительно определять коэффициент по верхностного натяжения жидкостей;

расширить область применения индиви дуальными потребителями малогабаритного переносного устройства в поле вых условиях. Техническая характеристика вискозиметра приведена в табли це 3.

Таблица 3 Техническая характеристика вискозиметра для биологических жидкостей 1,4 … Диапазон измерения относительной кинематической вязкости, мм2/с Диаметр капилляра для эталонной жидкости, 10-3 м 0, Коаксиальный зазор для исследуемой жидкости, 10-3 м 0, Суммарная ошибка измерения, % Конструктивные особенности вискозиметра подобраны таким обра зом, что динамический диапазон устройства находится в области измерения вязкости биологических жидкостей относительно этилового спирта. Суммар ная ошибка измерения относительной вязкости данным устройством рассчи тывалась по формуле:

2 э = hэ + h.

h h э э Как уже отмечалось выше, при движении жидкости в капиллярной гидродинамике огромное влияние на это движение оказывают силы адгезии, в частности поверхностное натяжение. Для детального изучения этого влияния была разработана установка, которая позволяет исследовать движение грани цы раздела жидкости по вертикальному капилляру (см. рис.3). С помощью данной установки изображение капилляра и движущейся по нему жидкости, получаемое при освещении его мощной лампой L, проецировалось на экран S за счет объектива O с увеличением в 35 раз. Изображение на экране снима лось на цифровую видеокамеру и в дальнейшем обрабатывалось на компью тере. При исследовании движения границы раздела жидкости в капиллярах расположенных вертикально и под различными углами к горизонту было об наружено, что заполнение капилляра происходит скачкообразно, причем, по мере заполнения капилляра период и величина этих скачкообразных измене ний быстро уменьшалась до нуля.

Рис. 3. Схема экспериментальной установки. L – лампа;

C – линза-конденсор;

CL – кювета с жидкостью и исследуемый капилляр;

СС – кинокамера;

CR – компьютер;

1 и 2 – точки в жидкости и на стенке капилляра, между которыми измеряет сопротивление R;

O – увеличивающий объектив;

S – экран, на кото ром строится увеличенное теневое изображение.

Для записи скачкообразного движения жидкости использовали уста новку, приведенную на рис. 3. При этом производили цифровую видеосъемку изображения с разрешением 1024х768 пикселей, частотой 15 кадров в секун ду и временем экспозиции не более 1/2000 с. Далее фиксировалось положение мениска жидкости через каждые три кадра (0,2 с) и, по изменению координа ты, вычислялась скорость движения мениска. Эксперименты проводились с этиловым спиртом и водой сериями, состоящими не менее чем из 5 опытов.

На рис. 4 приведены два характерных графика при погружения капилляра в спирт на 91 мм и в воду.

V, мм/с V, мм/с 10 0 2 4 6 8 0 2 4 6 8 t, с t, с а) б) Рис. 4. Скорость движения мениска жидкости при погружении капилляра а) диаметром 0.59 мм в спирт на 91 мм, б) диаметром 0.34 мм в воду.

Качественное объяснение обнаруженного эффекта было сделано на основе предположения о наличии прекурсионной пленки, значительно опе режающей мениск и тянущей за собой столб жидкости. Для проверки этого предположения к экспериментальной установке (рис. 3) было добавлено уст ройство для измерения электрического сопротивления между жидкостью в кювете и стенкой капилляра (точки 1 и 2 на рис. 3). После добавления жидко сти в кювету сопротивление в цепи менялось в течение нескольких секунд, а затем восстанавливалось первоначальное значение. При этом на увеличенном изображении было видно, что изменение сопротивления возникало на значи тельном удалении мениска от электрического контакта на стенке капилляра.

Это доказывало наличие прекурсионной пленки и ее испарение, поскольку капиллярное поднятие при этом не продолжалось. В экспериментах с 96%-м этиловым спиртом мениск в среднем отстоял от электрического контакта на 0,01±0,002 м. При капиллярном поднятии дистиллированной воды также бы ла обнаружена прекурсионная пленка, и ее длина составила 0,026±0,002 м.

Далее была приведена оценка напряжения начального сдвига по экс периментально определенной величине прекурсионной пленки. Пренебрегая весом столба жидкости в начале капиллярного поднятия, эту оценку можно провести по формуле = /H, где H – длина пленки. В итоге было получено для воды = 2.8±0.2 Н/м2, а для спирта = 2.2±0.4 Н/м2. Результаты других исследований дают на порядок от личающиеся значения, например, для воды: = 0.11 Н/м2 и = 0.01 Н/м2.

Можно предположить, что сила адгезии приближает свойства тонкой пленки к упругим характеристикам сдвига твердого тела. Возможно, этим объясняет ся повышенное значение в предлагаемой работе по сравнению с другими экспериментами. Кроме того, было сделано предположение, что зависит от толщины слоя пленки жидкости.

Для проверки этой возможной зависимости было разработано устрой ство, которое представлено на рис. 5. Устройство представляет собой стек лянную плоскость, один конец которой может перемещаться вертикально за счет червячного механизма, при этом высоту наклона плоскости можно изме рить с точностью до 10 мкм. Для исследования напряжения начального сдви га брали тонкие стеклянные пластины толщиной порядка 0,17–0,18 мм и раз личной площади, и, аккуратно опускали на свободную поверхность жидко сти, налитой на горизонтально расположенную плоскость устройства так, чтобы пластина свободно плавала на ее поверхности. Изменение толщины прослойки жидкости происходило за счет изменения массы пластинок.

В ходе эксперимента измерялся угол поднятия плоскости, при котором начинала двигаться стеклянная пластина относительно жидкости. Зная этот угол можно было примерно оценить напряжение начального сдвига 0 жидко сти по формуле:

mg sin, 0 = S где m – масса пластин, S – площадь пластин.

т0, Н/м 0, S 0, S 0, 0, 0, 0, 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1, масса пластин m, г Рис. 5. Устройство для исследова- Рис. 6. Зависимость напряжения ния напряжения начального сдвига начального сдвига воды от массы жидкости: 1 – стеклянная плос- пластинок (S1 = 5,76 см;

кость;

2 – червячный механизм;

3 – S2 = 3,123,36 см).

микрометр;

4 – пластина;

5 – ис следуемая жидкость.

Эксперимент проводили с пластинами различной площадью. Массу пластин изменяли за счет увеличения их числа, при этом пластины проклеи вались для того, чтобы жидкость не попадала в свободное пространство меж ду ними. В качестве исследуемой жидкости брали дистиллированную воду.

Эксперимент по измерению угла наклона плоскости, с которого начиналось движение пластины относительно жидкости, проводили не менее 10 раз. Все экспериментальные данные представлены на графике (рис. 6). Из графика видно, что чем больше масса пластинки, тем больше 0 и эта зависимость не линейна, т.е. чем больше масса, тем тоньше становится пленка жидкости ме жду нижней пластиной и плоскостью, и тем труднее сдвинуть пластины от носительно плоскости.

Анализируя экспериментальные данные и значения 0, полученные при исследовании прекурсионной пленки можно предположить, что напря жение начального сдвига зависит от толщины пленки жидкости. Чем тоньше пленка жидкости, тем она ближе к упругим свойствам твердого тела. Воз можно, значения напряжения начального сдвига, полученные при исследова нии прекурсионной пленки, соответствуют максимальному значению 0 для жидкости, так как предшествующая растеканию прекурсионная пленка по оценкам, приведенным в обзоре де Жена, составляет 10-8 м. Возможно, именно поэтому значения напряжения начального сдвига, получаемые раз личными методами, так сильно отличаются друг от друга.

Третья глава посвящена описанию методов исследования гистерезиса смачивания. Исследования гистерезиса смачивания были проведены как на плоских капиллярах, так и на цилиндрических капиллярах разного диаметра.

Исследования были основаны на измерении краевого угла при изменении уровня жидкости в капилляре и проводились с помощью установки, приве денной на рис. 3.

а) б) в) Рис.7 Схема эксперимента, проводимого с плоскими и цилиндриче скими капиллярами: а) равновесное состояние;

б) опускание пластин ки;

в) максимальное поднятие пластинки.

При этом капилляры крепились к стойке с возможностью перемеще ния микровинтом М с точностью 0,5 мм, как показано на рис. 7. Было прове дено 3 серии экспериментов, в которых фиксировалось равновесное поднятие жидкости (рис. 7а), максимальное опускание жидкости в капилляре (рис. 7б) и максимальное поднятие жидкости в капилляре (рис. 7в).

z0, мм z0, мм 40 35 30 25 20 15 10 5 0 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 2,2 2,4 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 2,2 2, d, мм d, мм б) а) Рис. 8. График зависимости высоты поднятия дистиллированной воды от расстояния между пластинами (d): а) равновесное состояние, б) максимальное поднятие По полученным данным для плоских капилляров были построены гра фики зависимости высоты поднятия (z 0 ) от расстояния между пластинами (d), приведенные на рисунках 8а и 8б. Аппроксимация экспериментальных точек приводит к гиперболической зависимости (согласно закону Лапласа) с отли чающимися практически вдвое константами для равновесного и максималь ного поднятия. При этом для максимального поднятия (рис. 8б) все экспери ментальные точки совпадают с аппроксимирующей кривой в пределах ошиб ки эксперимента (7 %), а для равновесного состояния (рис. 8а) такое совпаде ние не наблюдается, случайная ошибка достигала 22 %. Это можно объяснить тем, что равновесное поднятие является случайной величиной, зависящей от начальных условий и гистерезиса смачивания.

Коэффициент поверхностного натяжения, рассчитанный по формуле Лапласа на основе экспериментальных данных для плоского и цилиндриче ского капилляров, отличался от табличного значения почти на 50%. Такое не совпадение объясняется существенным влиянием силы трения. Кроме экспе риментов с дистиллированной водой были проведены эксперименты со спир том, глицерином и маслом рапс.

В этой же главе более подробно исследованы краевые углы натекания с помощью горизонтальной подложки в виде прямоугольного и треугольного коробов (рис. 9) и приведена математическая оценка этих углов в зависимо сти от параметров растекания. При этом ширина d для прямоугольных коро бов варьировалась от 2 до 9,6 мм. Короба изготавливались из стали марки ст. 45, дюралюминия, стекла марки М2, полистирола, органического стекла марки ТОСП. Длина горизонтального короба составляла 0,5 м. В качестве жидкости использовались дистиллированная вода, спирт, глицерин. Все экс перименты проводились при температуре 25 ± 2 0С. Были взяты следующие табличные значения поверхностного натяжения для воды, глицерина и спирта при данной температуре 72,1;

59,2 и 22,3 мН/м соответственно. Диэлектриче ские проницаемости исследуемых жидкостей 1 : воды, глицерина и спирта составляли 80, 60 и 27, а твердых подложек из окиси металла, стекла, органи ческого стекла и полистирола 2 : 8;

5;

3,4;

2,2. При этом систематическая ошибка измерения объема всех исследуемых жидкостей составила 0,02 см3. А абсолютная случайная ошибка измерения краевого угла натекания состави ла ± 40.

а) б) Рис. 9 Аксонометрическая проекция схемы растекания жидкости: а) в прямоугольном коробе, б) в треугольном коробе.

Если записать равенство сил способствующих и препятствующих рас теканию капли по прямоугольному коробу (рис. 9а), то выражение для крае вого угла натекания в прямоугольном коробе примет вид:

1 g V 2, (5) cos = 1 V 2 Ld 1 + ( ) L d где – краевой угол натекания, V – объем, наливаемой жидкости, d – ширина короба, L – длина растекания жидкости. Следует отметить, что выражение (5) имеет смысл, начиная с критического угла натекания arccos.

d d + V /( Ld ) В приведенных экспериментах краевой угол натекания получался всегда больше критического значения.

Для треугольного короба (рис. 9б) выражение, аналогичное соотноше нию (5), с учетом его геометрии запишется в виде:

gV 1 gV.

3 2 (6) cos = 2 + 10 2 2 2L 10 2L 10 Из выражения (6) следует, что оно имеет смысл только при /4. Краевые углы натекания /4 соответствуют полной смачиваемости с высотой слоя жидкости h = 0.

Подстановка экспериментально полученных данных по растеканию жидкости в горизонтальных коробах в выражения (5) и (6) позволила постро ить зависимость равновесного краевого угла натекания от объема и длины растекания жидкости. На рис. 10 представлены графики зависимостей равно весного краевого угла натекания от объема наливаемой жидкости для воды и глицерина, которые сравнивались со значениями, полученными при исследо вании гистерезиса смачивания с помощью плоских и цилиндрических капил ляров.

Далее в третьей главе приведен пробный анализ влияния различного рода поверхностей на растекание жидкости. В проведенных исследованиях использовались два вида поверхностей твердого тела: высокоэнергетическая поверхность металла, покрытая окисной пленкой с поверхностной энергией от 0,5 до 5 Дж/м 2 и низкоэнергетические диэлектрики с поверхностной энер гией около 0,05 Дж/м2. Судя по зависимости длины растекания спирта от объема налитой в короб жидкости, полное смачивание металлической под ложки не наблюдалось. Запишем коэффициент растекания S, приближенно выразив поляризуемость диэлектрика через соответствующие диэлектриче ские проницаемости полярной жидкости ( 1 ), диэлектрической подложки ( 2 ), и коэффициент поверхностного натяжения между жидкостью и газом ():

S = k( 1 1)( 2 1) 2. Значимость этого коэффициента растекания связана с наличием слагаемого, отвечающего за взаимодействия с поверхностью твер дого тела. По все видимости, от этого коэффициента должна зависеть и высо та капиллярного поднятия, получаемая из формулы Лапласа, в которой взаи модействие жидкости с поверхностью учитывается через краевой угол. С другой стороны, возможно, в этом коэффициенте растекания содержится бо лее полный ответ на вопрос о физической природе гистерезиса смачивания, которая обусловлена не только наличием шероховатостей на поверхности твердого тела, граничащего с жидкостью, но и полярным взаимодействием между жидкостью и твердой поверхностью.

,, 105 100 95 5 90 6 85 80 75 70 65 60 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6, V, см V, см а) б) 1. стекло, вода, ширина короба d = 2 мм;

1. стекло, вода, ширина короба d = 4 мм;

2. стекло, глицерин, ширина короба d = 2 мм;

2. стекло, глицерин, ширина короба d = 4 мм;

3. сталь, вода, ширина короба d = 2,4 мм;

3. сталь, вода, ширина короба d = 4,2 мм;

4. сталь, глицерин, ширина короба d = 2 мм;

4. сталь, глицерин, ширина короба d = 4,2 мм;

5. оргстекло, вода, ширина короба d = 2,2 мм;

5. оргстекло, вода, ширина короба d = 4,2 мм;

6. полистирол, вода, ширина короба d = 1,7 мм. 6. полистирол, вода, ширина короба d = 3,3 мм.

Рис. 10 Графики зависимости равновесного краевого угла натекания от объе ма наливаемой жидкости: а) в горизонтальных прямоугольных коробах ши риной ~ 2 мм, б) в горизонтальных прямоугольных коробах шириной ~ 4 мм, для воды и глицерина.

В приложении приведено исследование свойств жидкости после кави тации. Обзор методов исследования свойств жидкости после кавитационного воздействия показал, что большинство работ направлено в основном на изу чение разрушительного действия самой жидкости при кавитации на твердые частицы, например, при диспергации. А также на изучение звуковых эффек тов при кавитации жидкости и содержание различных газов в кавитационных пузырьках. Поэтому такое исследование сужает рамки применимости данного явления на практике. Кроме того, мало работ посвящено механизму возник новения кавитации в жидкости и структурным преобразованиям жидкости при кавитации, что тоже приводит к недостаточному пониманию этого явле ния.

В данной работе исследовано действие кавитации на воду, которое приводило к изменению ее физико-химических свойств: изменению рН, уве личению числа свободных ионов и активных радикалов, переструктуризации и активации молекул. При проведении экспериментов по кавитационному воздействию на воду было обнаружено, что обеззараживание и уничтожение микрофлоры в ней может происходить и в докавитационных режимах тече ния, что возможно связано с высокими градиентами скорости, приводящими к повышенному содержанию пероксида водорода. Здесь приводятся данные, что пропускание грязной воды через насос оказывало бактерицидное дейст вие, начиная с температур примерно 50 оС. Так проверка согласно санитар ному регламенту после 30 минутного воздействия кавитации показала сниже ние общего микробного числа с 630/мл до менее 1/мл, а количество общих колиформных бактерий уменьшилось с нескольких десятков тысяч в 100 мл до 10/100 мл. При циркуляции через насос этой воды в течение часа вода ста ла соответствовать санитарным требованиям к качеству воды. Конечно, сле дует учесть, что сам процесс нагревания может уменьшать количество пато генной микрофлоры за счет пастеризации, но вклад этого эффекта легко учи тывался обычным нагреванием, и он оказался пренебрежимо малым.

Эксперименты по исследованию докавитационного и кавитационного режимов течения жидкости проводились с помощью двух центробежных на сосов с электродвигателем «М» (2 кВт) и с более мощным электродвигателем «Б» (10 кВт). В качестве исследуемых жидкостей использовали воду с мик рофлорой, дистиллированную воду, и различные растворы: 1%-ный, 0,01% ный растворы пероксида водорода и 0,1%-ный раствор серной кислоты. В хо де эксперимента по исследованию течения жидкости в замкнутом гидроди намическом контуре в докавитационных и кавитационных режимах через ка ждые пять минут производили измерения температуры, а через каждые пять градусов отбирали пробы воды и растворов для определения рН и плотности.

После эксперимента были сняты ИК-спектры воды и раствора.

Измерение плотности воды и растворов показало, что с увеличением температуры плотность жидкостей в среднем монотонно уменьшалась. Одна ко для 1%-ного раствора пероксида водорода при нагревании насосом в ин тервале температур 55–70 °С и для 0,1%-ного раствора серной кислоты в близком интервале температур 50–65 °С возникало локальное увеличение плотности жидкости с повышением температуры. Такое поведение, возмож но, было связано с тем, что при нагревании насосом в этом диапазоне темпе ратур происходила перестройка структуры молекулярных цепочек к более плотно упакованным сегментам. Заметим, что эта перестройка происходила как раз в том диапазоне температур, где принято считать кавитационное воз действие наиболее эффективным.

Исследование рН дистиллированной воды и растворов в докавитаци онных и кавитационных режимах течения проводили в сравнении с их обыч ным нагреванием («холостой» опыт) (см. рис. 11). Из полученных данных видно, что в процессе кавитации важным фактором является не только тем пература, но и концентрация пероксида водорода. При обычном нагревании рН 0,01%-ного и 1%-ного растворов пероксида водорода смещается в слабо щелочную среду (рН 7,5–8,2). При нагревании жидкостей насосом с двигате лем «Б» резко изменяется закономерность водородного показателя: при высо кой концентрации пероксида водорода рН резко уменьшается (до рН = 3,5) (кривая 4), а при низкой концентрации – рН возрастает и имеет максимум в щелочной среде при 55 С (кривая 2). Эти изменения, по всей видимости, свя заны с началом интенсивных кавитационных процессов и механизмом обра зования и разложения пероксида водорода в докавитационных и кавитацион ных режимах. Содержание в воде 0,1%-ного раствора серной кислоты также изменяло характер изменения рН. Исходя из полученных данных после 60 С начиналась активная перестройка молекулярной структуры воды и происхо дила частичная нейтрализация ионов водорода за счет генерации гидроксид ионов вследствие начала кавитации.

8,5 1 - 0,01%-ный раствор пероксида 8, водорода ("холостой" опыт) 3 7, 7, 7 2 - 0,01%-ный раствор пероксида 6, 6, водорода при нагревании насосом (с 1 5, насадкой) рН 3 - 1%-ный раствор пероксида водорода 5, 2 4, 5 4 ("холостой" опыт) рН 3, 4, 4 4 - 1%-ный раствор пероксида водорода 2, 3,5 при нагревании насосом 1, 5 - 0,1%-ный40 45 50 серной 65 70 раствор 55 60 кислоты 2, 5 6 20 25 30 35 ("холостой" опыт) Температура Т, С 1, 6 - 0,1%-ный раствор серной кислоты при 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 нагревании насосом Температура Т, С Рис. 11 – Изменение рН 0,01%-го и 1%-го раствора пероксида водорода, и 0,1%-го раствора серной кислоты при обычном нагревании и при на гревании с помощью насоса Рис. 12 – ИК-спектр дистиллированной воды, пропущенной через на сос ИК-спектр воды представлен характеристичными полосами валентных и деформационных колебаний ОН-группы. Исследуемые пробы имели широ кую полосу поглощения в области 3850–2600 см–1 ( ОН ), узкую полосу при 1615 см–1 ( ОН ). При обработке воды в насосе, обе характеристичные полосы колебаний ОН-групп уширились (рис. 12). Добавление пероксида водорода приводило к сужению полосы валентных колебаний. Синтезирование перок сида водорода в докавитационном режиме течения с малой концентрацией приводило к насыщению воды электронами, а с искусственным повышением концентрации Н 2 O 2 зарядовое состояние становилось близким к нейтрально му. Чем выше концентрация окислителя, тем более структурирована вода. На основании этого можно предположить, что в зависимости от соотношения синтезируемого пероксида водорода в докавитационном процессе и искусст венного добавления возникал различный механизм образования ион радикалов. Так при нагревании 1%-ного раствора пероксида водорода с по мощью насоса pH раствора сдвигается в низкую область вследствие механиз ма:

H 2 O 2 О 2 Н• + Н• Н• – 1 Н+ А при нагревании воды и растворов насосом с малой начальной концентра ции пероксида водорода (0,01 %) возможен другой механизм образования ион-радикалов:

H 2 O 2 2ОН• ОН• + 1 ОН–, Пас 20 30 40 50 t, С Рис. 13 – Зависимость изменения относительной вязкости масла рапс от его температуры в ходе эксперимента по кавитационному воздействию на него и после эксперимента (крестиком обозначена относительная вязкость рапса, измеренная через сутки после эксперимента).

Далее в приложении представлено исследование по дроблению капель жидкости центрифугой с вибрирующими пластинами, которые открывали щель для жидкости при определенной скорости вращения. Было произведено измерение капель воды, распыляемых центрифугой. С одной вибрирующей пластиной получили средний размер частицы 2,9 ± 0,1 мкм. С двумя пласти нами получили средний размер частицы 2,8 ± 0,1 мкм. При этом выяснилось, что количество пластин на размер частиц практически не влияет. При этом центрифуга с дополнительно установленной сеткой эффективно производит очистку воды только от крупных фракций диаметра больше 100 мкм.

Кроме того, здесь приведены исследования кавитационного воздейст вия на различные жидкости, в результате которых были получены однород ные эмульсии масла и воды, а также частичное смешение органических и не органических веществ. Кавитационное воздействие на жидкости приводило к структурной перестройке молекул жидкости, что проявилось в изменении её вязкости. При этом период возврата вязкости жидкости к первоначальному значению мог изменяться от десятков минут до суток (рис. 13).

Основные выводы и результаты работы 1. Разработан способ измерения относительной вязкости жидкости и уст ройство для реализации этого способа.

2. Разработана установка для исследования движения границы раздела жид кости по вертикальному капилляру.

3. Предложена методика исследования скачкообразного характера капил лярного движения жидкости и краевых углов смачивания в плоских и цилин дрических капиллярах.

4. Разработано устройство для исследования напряжения начального сдвига жидкости, в результате применения которого предложена оценка напряжения начального сдвига, и исследована его зависимость от толщины пленки жид кости.

5. Разработана методика исследования гистерезиса смачивания и растекания жидкости по твердой подложке, на основании которой предложена матема тическая оценка краевых углов натекания жидкости на горизонтальных под ложках прямоугольной и треугольной форм.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Волков В.И., Козлов Д.Ю., Кирколуп Е.Р. Исследование затекания жид кости в тонкие капилляры при малых числах Вебера // Журнал технической физики, т. 77, Вып. 7, 2007. – с. 24-27.

2. Волков В.И., Козлов Д.Ю., Кирколуп Е.Р. Динамика капиллярного нате кания // Известия вузов. Физика, №5. – Томск, 2007. – с. 69-72.

3. Волков, В.И. Исследование динамики движения жидкости по капилляру / В.И. Волков, Д.Ю. Козлов, Е.Р. Кирколуп // Известия АГУ, № 1 (53), – Барна ул: изд-во АлтГУ, 2007. – с. 100 – 104.

4. Волков, В.И. К вопросу о затекании жидкости в тонкие капилляры / В.И. Волков, Д.Ю. Козлов, Е.Р. Кирколуп // Труды международной научной конференции "Измерительные и информационные технологии в охране здо ровья МЕТРОМЕД-2007" – СПб:Изд-во Политехн.ун-та, 2007. – с. 56-57.

5. Волков В.И., Козлов Д.Ю., Кирколуп Е.Р. Способ измерения относи тельной вязкости биологической жидкости. Пол. решение о выдаче пат. Фор ма №01 ИЗ-2008 от 02.04.2008 №2006135687.

6. Волков В.И., Кирколуп Е.Р. Устройство для определения относительной вязкости биологических жидкостей. Пат. RU №2319134 С2 Бюл. № 10.03.2008.

7. Волков В.И., Козлов Д.Ю., Кирколуп Е.Р. К вопросу неравномерности капиллярного течения // Письма в журнал технической физики, т. 33, Вып. 21, 2007. – с. 37-41.

8. Волков, В.И. Исследование пульсаций при капиллярном натекании / В.И. Волков, Д.Ю. Козлов, Е.Р. Кирколуп // Сборник научных работ «Акту альные проблемы фармации», Вып. IV. – Барнаул: Изд-во АГМУ, 2007. – с.

63-68.

9. Волков, В.И. Исследование скачкообразного характера натекания жид кости в тонкие капилляры / В.И. Волков, Д.Ю. Козлов, Е.Р. Кирколуп // Ма териалы Всероссийской научно-практической конференции с международ ным участием (Приоритетные направления науки и техники, прорывные и критические технологии: «Энергетические, экологические и технологические проблемы экономики» (ЭЭТПЭ–2007)) / Под ред. Д.Д. Матиевского, П.К. Се начина – Барнаул: ОАО «Алтайский дом печати», 2007. – с. 26–28.

10. Волков В.И., Лескова С.С., Кирколуп Е.Р. Экспериментальное исследо вание гистерезиса смачивания с помощью плоского капилляра // Вестник Уральской Медицинской Академической Науки, № 2 (12). – Екатеринбург, 2006. – с.48-50.

11. Волков, В.И. Экспериментальное исследование гистерезиса смачивания / В.И. Волков, С.С. Лескова, Е.Р. Кирколуп // Известия АГУ, № 1 (49). – Барна ул: изд-во АлтГУ, 2006. – с. 106 – 111.

12. Волков, В.И. Исследование краевых углов оттекания в вертикальных ка пиллярах различной геометрии / В.И. Волков, Е.Р. Кирколуп // Актуальные проблемы фармации. Выпуск V. – Барнаул, 2008. – с. 25–31.

13. Волков, В.И. Экспериментальное исследование краевых углов натекания в горизонтальных коробах / В.И. Волков, Е.Р. Кирколуп // Известия Алт. гос.

унив. – 2008. – №3 (55). – с. 50–56.

14. Волков, В.И. Исследование кавитационных полей и оценка их эффектив ности / В.И. Волков, И.Б. Катраков, В.Н. Беккер, Е.Р. Кирколуп, М.Г. Иванов // Сборник научных работ «Актуальные проблемы фармации», Вып. IV. – Барнаул: Изд-во АГМУ, 2007. – с. 69-83.

15. Волков, В.И. Механохимические преобразования воды в высокогради ентных потоках / В.И. Волков, И.Б. Катраков, В.Н. Беккер, Е.Р. Кирколуп, М.Г. Иванов // Известия АГУ, № 3 (55). – Барнаул: изд-во АлтГУ, 2007. – с. 63 – 71.

16. Волков, В.И. Регистрация свойств жидкости при различных физических воздействиях / В.И. Волков, Д.А. Колосов, Е.Р. Кирколуп, С.Б. Никулин // Сборник научных работ «Актуальные проблемы фармации», Вып. IV. – Бар наул: Изд-во АГМУ, 2007. – с. 45-54.

17. V. Volkov, I. Katrakov, D. Kozlov, E. Kirkolup. Influence Cavitation on the Wood Sawdust Fluidized in Water // Materials of International conference «Exploi tation of Agricultural and Food Industry By-Products and Waste Material Through the Application of Modern Processing Techniques». – Bucharest, 2008. – pp. 19– 22.



 

Похожие работы:





 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.