Сибирские физики научились управлять движением конвективных потоков внутри жидкостей

Ученые Томского политехнического университета (ТПУ) и Института теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН провели комплексное исследование и выяснили, как модулированный локальный нагрев меняет характер движения в жидкости. Эти данные помогут точнее управлять смешиванием веществ в микрореакторах и теплообменом в тонких жидких пленках.

При локальном нагреве жидкости в ней возникают конвекционные потоки — движение вещества, обусловленное разницей температур. При таких условиях в тонком плоском слое обычно формируются два крупных вихря. Однако они перемешивают жидкость довольно неравномерно. Это приводит, например, к проблемам с охлаждением микроэлектроники, снижению эффективности работы химических и биохимических реакторов, а также процессов нанесения покрытий. До сих пор проблема влияния переменных тепловых полей на структуру конвективных течения была исследована недостаточно.

Авторы предложили управлять конвекцией в слое жидкости с помощью модулированного потока лазерного излучения. Исследователи провели серию экспериментов, направляя сфокусированный поток излучения в поглощающую свет область на дне кюветы с жидкостью.

Мощность лазера модулировали, создавая колебания температуры в слое жидкости. Эксперименты проводили с водой, промышленным маслом и спиртом. При этом использовались кюветы из стекла, пластика и меди. Движение жидкости отслеживали с помощью бесконтактного метода трассерной визуализации: ученые добавляли в жидкость микрочастицы диоксида титана, которые, двигаясь вместе с потоком, помогали восстанавливать структуру вихрей и измерять скорость конвекции.

«При постоянном локальном нагреве в жидкости, как правило, сохраняется крупномасштабная вихревая структура. Периодическая модуляция мощности нагрева позволяет целенаправленно нарушить этот режим и сформировать более сложное движение. Когда частота приближается к характерной гидродинамической частоте жидкости, два макроскопических вихря теряют стабильность и распадаются на множество более мелких вихревых структур. Такой режим способствует более эффективному перемешиванию жидкости, более равномерному распределению примесей и тепла в слое», — рассказал один из авторов исследования, профессор Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов ТПУ Роман Егоров.

Источник: Официальный ресурс Министерства образования и науки Российской Федерации