ВЛИЯНИЕ МИКРОСТРУКТУРЫ МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ПОВЕРХНОСТИ НА ПРОЦЕССЫ СМАЧИВАНИЯ И РАСТЕКАНИЯ
|
ВВЕДЕНИЕ 12
1 СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О ПРОЦЕССАХ СМАЧИВАНИЯ И РАСТЕКАНИЯ КАПЕЛЬ ЖИДКОСТИ НА ТВЕРДЫХ ПОВЕРХНОСТЯХ
1.1 Теоретические подходы к изучению растекания 15
1.2 Растекание на реальных шероховатых поверхностях. Гистерезис
контактного угла 19
1.3 Экспериментальное исследование гистерезиса контактного угла при
подаче жидкости через отверстие в подложке 24
Выводы по первой главе 26
2 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА
РАСТЕКАНИЯ КАПЕЛЬ ДИСТИЛИРОВАННОЙ ВОДЫ 27
2.1 Описание экспериментальной установки 27
2.2 Методика проведения эксперимента 29
2.2.1 Выбор схемы проведения экспериментальных исследований 29
2.2.2 Выбор области изменения основных факторов 31
2.2.3 Подготовка к проведению эксперимента 32
2.3 Порядок проведения экспериментов 40
2.4 Обработка экспериментальных данных 41
ГЛАВА 3 ДИНАМИЧЕСКИЙ КОНТАКТНЫЙ УГОЛ КАПЛИ НА ТВЕРДОЙ ПОВЕРХНОСТИ В УСЛОВИЯХ НАСТУПАЮЩЕЙ/ОТСТУПАЮЩЕЙ КОНТАКТНОЙ ЛИНИИ 44
3.1 Гистерезис ДКУ на гладких поверхностях. Зависимость ДКУ от скорости перемещения линии трехфазного контакта: сравнение теорий с экспериментами 44
3.2 Гистерезис ДКУ на структурированной поверхности. Зависимость ДКУ от скорости перемещения линии трехфазного контакта: сравнение теорий с
экспериментами 59
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 3 64
4 СОЦИАЛЬНАЯ ОТВЕТСТВЕННОСТЬ 69
Введение 69
1. Производственная безопасность 70
Вредные физические производственные факторы 70
2. Экологическая безопасность 78
5 ФИНАНСОВЫЙ МЕНЕДЖМЕНТ, РЕСУРСОЭФФЕКТИВНОСТЬ И
РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ 85
5.1. Экспертная оценка 85
5.2 Календарный план 88
5.3 Смета. Бюджет проекта 91
5.5 Ресурсоэффективность 95
Литература 99
Приложение А 104
1 СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О ПРОЦЕССАХ СМАЧИВАНИЯ И РАСТЕКАНИЯ КАПЕЛЬ ЖИДКОСТИ НА ТВЕРДЫХ ПОВЕРХНОСТЯХ
1.1 Теоретические подходы к изучению растекания 15
1.2 Растекание на реальных шероховатых поверхностях. Гистерезис
контактного угла 19
1.3 Экспериментальное исследование гистерезиса контактного угла при
подаче жидкости через отверстие в подложке 24
Выводы по первой главе 26
2 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА
РАСТЕКАНИЯ КАПЕЛЬ ДИСТИЛИРОВАННОЙ ВОДЫ 27
2.1 Описание экспериментальной установки 27
2.2 Методика проведения эксперимента 29
2.2.1 Выбор схемы проведения экспериментальных исследований 29
2.2.2 Выбор области изменения основных факторов 31
2.2.3 Подготовка к проведению эксперимента 32
2.3 Порядок проведения экспериментов 40
2.4 Обработка экспериментальных данных 41
ГЛАВА 3 ДИНАМИЧЕСКИЙ КОНТАКТНЫЙ УГОЛ КАПЛИ НА ТВЕРДОЙ ПОВЕРХНОСТИ В УСЛОВИЯХ НАСТУПАЮЩЕЙ/ОТСТУПАЮЩЕЙ КОНТАКТНОЙ ЛИНИИ 44
3.1 Гистерезис ДКУ на гладких поверхностях. Зависимость ДКУ от скорости перемещения линии трехфазного контакта: сравнение теорий с экспериментами 44
3.2 Гистерезис ДКУ на структурированной поверхности. Зависимость ДКУ от скорости перемещения линии трехфазного контакта: сравнение теорий с
экспериментами 59
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 3 64
4 СОЦИАЛЬНАЯ ОТВЕТСТВЕННОСТЬ 69
Введение 69
1. Производственная безопасность 70
Вредные физические производственные факторы 70
2. Экологическая безопасность 78
5 ФИНАНСОВЫЙ МЕНЕДЖМЕНТ, РЕСУРСОЭФФЕКТИВНОСТЬ И
РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ 85
5.1. Экспертная оценка 85
5.2 Календарный план 88
5.3 Смета. Бюджет проекта 91
5.5 Ресурсоэффективность 95
Литература 99
Приложение А 104
Исследование растекания капли и её динамическое взаимодействие с твердой поверхностью в настоящее время вызывает большой интерес. Это связано широким применением получаемых результатов. Явление динамического смачивания распространено в технике, например, при капельном охлаждении поверхностей, нанесении различных покрытий, струйной печати, добыче нефти, смазке, склеивании и пропитке различных материалов, росте биологических кристаллов и т.д. Недостаточно полное понимание свойств трехфазной линии контакта приводит к сдерживанию развития ряда технологий, в которых реализуются ручейковые течения, кипение, разрыв пленок жидкостей и т.д. [1].
Необходимость уменьшения характерных размеров устройств в различных отраслях техники, например, в энергетике и медицине, космической индустрии и электронике, определяет развитие исследований гидродинамики газожидкостных течений в микросистемах и микроканалах [23]. Основной задачей в подобных системах является отвод значительного теплового потока от источников с малыми линейными размерами. Испарение тонких пленок теплоносителей обеспечивает интенсивный теплоотвод и значительную поверхность контакта фаз при малых удельных расходах жидкости [4-5]. Процессы, происходящие в пленочных течениях, определяются следующими факторами: теплофизическими свойствами жидкости, удельным расходом теплоносителя, физико -химическими свойствами, микрорельефом и смачиваемостью поверхности.
В работе [6] рассматривались регулярные структуры, которые можно представить как семейство стекающих ручейков, сопряженных по контактным линиям. Ручейковые течения активно используются в технике. Среди высокоинтенсивных тепломасообменных аппаратов перспективными считаются теплообменники со слабонаклонными трубами, в которых основным режимом движения теплоносителя по наклонной поверхности является ручейковое течение. На ручейковое движение определяющее влияние оказывает краевой угол смачивания и его гистерезис [7-8]. Эффект гистерезиса приводит к тому, что ривулет движется непредсказуемым способом в виде змейки, из -за чего невозможно получить однозначные характеристики течения. Авторами работы [9] установлено, что на поверхности теплообмена возможна капельная конденсация. Получены результаты [10], подтверждающие, что при течении двухфазной смеси в прямоугольных каналах малой высоты основным режимом течения смеси является капельный режим.
Капля, помещенная на твердую поверхность, растекается, стремясь принять некое равновесное состояние. Характеристиками, используемыми для описания растекания капли по твердой поверхности являются: динамический краевой угол, скорость движения линии трехфазного контакта (ЛТФК) и диаметр пятна контакта [11].
В настоящей работе экспериментально исследовалась зависимость динамических характеристик смачивания в процессе растекания капли не деаэрированной дистиллированной воды по твердой горизонтальной поверхности от шероховатости, микроструктуры поверхности и расхода жидкости.
Актуальность исследования
Геометрия капель и их динамические характеристики представляют интерес для всех гетерофазных процессов в природе и технике. Исследованиями в этой области занимались крупнейшие ученые: Т. Юнг, П.С. Лаплас, П.А. Ребиндер, Б.В. Дерягин, Р. Хоффман, Дж. Бэтчелор, О.В. Воинов, Т. Блэйк и ряд других.
Динамика передвижения трехфазной линии контакта (ЛТФК) определяет режим растекания жидкости.
Различают два вида смачивания: динамическое и статическое [12]. Первый вид характеризуется гистерезисом краевого угла, в то время как второй зависит только от статического краевого угла, который определяется термодинамическими параметрами системы. В связи с этим, для проведения численного эксперимента по расчету динамических характеристик капли с определенной точностью, необходимы данные физического эксперимента для конкретной системы газ-жидкость-твердое тело [13].
Несмотря на большое количество работ [12-133], направленных на изучение этой темы, на сегодняшний день не разработаны основные положения теории свойств ЛТФК. Скорее всего, это связано с малой публикационной активностью авторов работающих в данном направлении, зачастую результаты известных исследований во многом противоречат друг другу [45-48]. В научной периодической литературе отсутствуют результаты исследований систем с большим диапазоном варьирования скорости растекания ЛТФК и степени шероховатости смачиваемой поверхности.
Цель работы - экспериментальное определение динамического контактного угла и гистерезиса на полированных и структурированных металлических поверхностях.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Проведение обзора научных публикаций по тематике: «динамика смачивания на твердых поверхностях».
2. Разработка методики проведения экспериментальных исследований по изучению процесса смачивания и растекания дистиллированной воды на металлических поверхностях.
3. Определение основных характеристик процесса динамического смачивания (наступающий и отступающий динамические контактные углы, гистерезис).
4. Определение экспериментальных зависимостей динамического контактного угла от скорости роста капли на полированной и структурированной металлической поверхности.
Необходимость уменьшения характерных размеров устройств в различных отраслях техники, например, в энергетике и медицине, космической индустрии и электронике, определяет развитие исследований гидродинамики газожидкостных течений в микросистемах и микроканалах [23]. Основной задачей в подобных системах является отвод значительного теплового потока от источников с малыми линейными размерами. Испарение тонких пленок теплоносителей обеспечивает интенсивный теплоотвод и значительную поверхность контакта фаз при малых удельных расходах жидкости [4-5]. Процессы, происходящие в пленочных течениях, определяются следующими факторами: теплофизическими свойствами жидкости, удельным расходом теплоносителя, физико -химическими свойствами, микрорельефом и смачиваемостью поверхности.
В работе [6] рассматривались регулярные структуры, которые можно представить как семейство стекающих ручейков, сопряженных по контактным линиям. Ручейковые течения активно используются в технике. Среди высокоинтенсивных тепломасообменных аппаратов перспективными считаются теплообменники со слабонаклонными трубами, в которых основным режимом движения теплоносителя по наклонной поверхности является ручейковое течение. На ручейковое движение определяющее влияние оказывает краевой угол смачивания и его гистерезис [7-8]. Эффект гистерезиса приводит к тому, что ривулет движется непредсказуемым способом в виде змейки, из -за чего невозможно получить однозначные характеристики течения. Авторами работы [9] установлено, что на поверхности теплообмена возможна капельная конденсация. Получены результаты [10], подтверждающие, что при течении двухфазной смеси в прямоугольных каналах малой высоты основным режимом течения смеси является капельный режим.
Капля, помещенная на твердую поверхность, растекается, стремясь принять некое равновесное состояние. Характеристиками, используемыми для описания растекания капли по твердой поверхности являются: динамический краевой угол, скорость движения линии трехфазного контакта (ЛТФК) и диаметр пятна контакта [11].
В настоящей работе экспериментально исследовалась зависимость динамических характеристик смачивания в процессе растекания капли не деаэрированной дистиллированной воды по твердой горизонтальной поверхности от шероховатости, микроструктуры поверхности и расхода жидкости.
Актуальность исследования
Геометрия капель и их динамические характеристики представляют интерес для всех гетерофазных процессов в природе и технике. Исследованиями в этой области занимались крупнейшие ученые: Т. Юнг, П.С. Лаплас, П.А. Ребиндер, Б.В. Дерягин, Р. Хоффман, Дж. Бэтчелор, О.В. Воинов, Т. Блэйк и ряд других.
Динамика передвижения трехфазной линии контакта (ЛТФК) определяет режим растекания жидкости.
Различают два вида смачивания: динамическое и статическое [12]. Первый вид характеризуется гистерезисом краевого угла, в то время как второй зависит только от статического краевого угла, который определяется термодинамическими параметрами системы. В связи с этим, для проведения численного эксперимента по расчету динамических характеристик капли с определенной точностью, необходимы данные физического эксперимента для конкретной системы газ-жидкость-твердое тело [13].
Несмотря на большое количество работ [12-133], направленных на изучение этой темы, на сегодняшний день не разработаны основные положения теории свойств ЛТФК. Скорее всего, это связано с малой публикационной активностью авторов работающих в данном направлении, зачастую результаты известных исследований во многом противоречат друг другу [45-48]. В научной периодической литературе отсутствуют результаты исследований систем с большим диапазоном варьирования скорости растекания ЛТФК и степени шероховатости смачиваемой поверхности.
Цель работы - экспериментальное определение динамического контактного угла и гистерезиса на полированных и структурированных металлических поверхностях.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Проведение обзора научных публикаций по тематике: «динамика смачивания на твердых поверхностях».
2. Разработка методики проведения экспериментальных исследований по изучению процесса смачивания и растекания дистиллированной воды на металлических поверхностях.
3. Определение основных характеристик процесса динамического смачивания (наступающий и отступающий динамические контактные углы, гистерезис).
4. Определение экспериментальных зависимостей динамического контактного угла от скорости роста капли на полированной и структурированной металлической поверхности.