Экспериментальное и теоретическое исследование двумерных массивов микрокапель, левитирующих вблизи нагретых жидких и твердых поверхностей

Проведены систематические экспериментальные исследования организованных двумерных массивов микрокапель конденсата (размером ~10 мкм), левитирующих над нагретой поверхностью жидкости, а также сухой твердой поверхностью. Впервые получены безразмерные корреляционные соотношения для расстояния между каплями в массиве. Разработана модель, предсказывающая высоту левитации микрокапель, имеющая хорошее согласие с экспериментом.

Массив из левитирующих микрокапель над поверхностью воды (вид сверху). Температура подложки 67°С, толщина слоя воды 0,5 мм.

При помощи высокоточной оптической системы (разрешение до 500 нм/пикс) измерены размеры и высота левитации микрокапель, а также расстояние между микрокаплями в массивах над жидкими и твердыми поверхностями. Имеется удовлетворительное соответствие с расчетом по модели, предполагающей, что левитация обусловлена действием паровоздушного потока (потока Стефана) с нагретой поверхности жидкости или паровоздушного потока, отраженного от твёрдого тела.

Зависимость безразмерной высоты капли над сухой поверхностью от безразмерного радиуса капли (эксперимент и теория).	Зависимость безразмерного расстояния между каплями, левитирующими над тонким слоем жидкости, от количества капель в  массиве для различных размеров нагревателя и различных температур подложки.

Было установлено, что в большинстве случаев количество капель в массиве над поверхностью жидкости с течением времени увеличивается до некоторого значения, после чего практически не меняется. При этом размер массива линейно увеличивается со временем. Также было выявлено, что расстояние между микрокаплями увеличивается с ростом температуры подложки, с ростом размера капель, а также с увеличением расстояния от центра массива. Расстояние между каплями в случае сухой твердой поверхности меньше, чем в случае поверхности жидкости, особенно при более высоких температурах. Возле контактной линии раздела трёх фаз есть узкая сухая область, где не наблюдаются левитирующие капли. Ширина этой области существенно увеличивается с увеличением темпе-ратуры подложки.

Впервые получены безразмерные корреляционные соотношения для рас-стояния между каплями в массивах с различным количеством капель для различных температур подложки. Полученные соотношения могут быть использованы для верификации разрабатываемой теоретической модели, объясняющей взаимодействие микрокапель друг с другом.

ИТ СО РАН,  зав. лаб., д.ф.-м.н., проф. Кабов О.А., с.н.с., к.ф.-м.н. Зайцев Д.В., PhD, проф. Ажаев В.С.,  асп. Кириченко Д.П.,  инж. Шатекова А.И., тел.:  +7 (383) 316-51-37.