Экспериментальное исследование влияния характеристик газовой фазы на устойчивость и структуры течения в двухслойной системе жидкость-газ

А.И. Мизёв (Пермь)

Как известно [1], термокапиллярный механизм наряду со свободно - конвективным может служить причиной неустойчивости подогреваемого снизу слоя жидкости со свободной верхней границей. При решении такой задачи обычно предполагается, что слой жидкости граничит с полубесконечным слоем газа, тепловыми и вязкими свойствами которого обычно пренебрегают. Учёт свойств газовой фазы сводится к варьированию граничных условий для температуры на верхней границе слоя жидкости. Решение задачи в такой классической постановке показывает, что наиболее опасны возмущения, приводящие к возникновению гексагональной, ячеистой структуры течения, что хорошо подтверждается результами экспериментальных исследований. Однако, как показывает обзор работ по данной тематике, имеется целый ряд экспериментальных исследований, в ходе которых наблюдались и другие надкритические структуры течения. Авторами работ было предложено несколько возможных причин расхождения с теорией, одна из которых предполагает необходимость учёта характеристик газовой фазы. Авторы работы [2] теоретически исследовали влияние соотношения размеров и теплопроводностей газовой и жидкой фазы на порог устойчивости и пространственно - временные характеристики конвективных течений, возникающих в слое жидкости. В работе сделан вывод об уменьшении критического числа Марангони при уменьшении толщины газовой фазы и смещении наиболее опасных возмущений в длинноволновую область. В работе также приведена карта устойчивости, иллюстрирующая области существования различных надкритических течений.

Данная работа посвящена экспериментальному исследованию влияния характеристик газовой фазы на устойчивость и структуры течения в двухслойной системе жидкость - газ. Эксперименты показали, что уменьшение толщины газового слоя приводит к уменьшению критического градиента температуры. Появляющееся при этом конвективное течение имеет гексагональную структуру при любых значениях отношения толщин слоёв.

Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант РФФИ-Урал № 02-01-96407) и Американского фонда гражданских исследования и развития (АФГИР) (грант № РЕ-009 и).

 

1. Гершуни Г.З., Жуховицкий Е.М. Конвективная устойчивость несжимаемой жидкости//Москва, Изд-во «Наука», 1972, 392 с.

2. Golovin A.A., Nepomnyashchy A.A., Pismen L.M. Pattern formation in large-scale Marangoni convection with deformable interface//Physica D. 1995. V. 81 (1-2), P. 117-147.