ВИЗУАЛИЗАЦИЯ ТЕЧЕНИЯ В ИСПАРЯЮЩЕЙСЯ КАПЛЕ НА ПОДЛОЖКЕ С ПОМОЩЬЮ МЕТОДА MICRO-PIV
А.А. Ягодницына 1,2, А.В. Бильский 1,2, О.А. Кабов1,2
1 Институт теплофизики СО РАН, Новосибирск, Россия,
2 Новосибирский государственный университет, Новосибирск, Россия,
e-mail: yagodnitsinaaa@gmail.com
Содержание
Аннотация
В работе представлены результаты применения метода micro-PIV для визуализации структуры потока в капле воды, расположенной на стеклянной подложке. В различные моменты испарения капли получены двухкомпонентные поля скорости в разных сечениях капли по высоте. Измерения полей скорости было проведено в закрытой атмосфере без конвективных течений воздуха и в открытой атмосфере при наличии конвективных течений воздуха. Показано значительное влияние внешних условий на структуру потока.
Ключевые слова: метод micro-PIV, капля, испарение
1. Введение
Интерес к исследованию капель связан с их применением в различных научных и технологических процессах, таких как визуализация молекул ДНК, струйные принтеры, спрейное охлаждение и т.д [1]. Структура течения внутри испаряющейся капли может в значительной степени влиять на процессы тепло- и массообмена, оседание частиц на подложке.
Ряд работ был направлен на визуализацию течения в испаряющейся капле, находящейся на подложке. Так, в работе [2] было проведено численное моделирование испарения капель жидкости, лежащих на подложке. Показано влияние конвекции Марангони на образование вихрей в капле. В работе [3] для визуализации течения в центральном сечении капли были применены методы PIV и теневой фотографии. Однако визуализация течения происходила сбоку капли, через ее искривленную поверхность, что в значительной степени оказывало влияние на погрешность измерения скорости. Кроме того, в данной работе для освещения частиц использовался лазерный нож, что накладывает ограничение на минимальный размер исследуемых капель. В работе [4] проблема устранения искажений, вносимых трехмерной формой капли при PIV-измерениях была решена посредством помещения капли между двумя параллельными пластинами, покрытыми гидрофобным тефлоновым покрытием.
В настоящей работе для визуализации течений в испаряющейся капле был применен метод цифровой трассерной визуализации с микронным разрешением (micro-PIV).
2. Описание эксперимента
Фотография экспериментальной установки для измерения полей скорости в капле представлена на Рис. 1. Micro-PIV система состояла из следующих компонентов: инвертированный микроскоп Carl Zeiss Axio Observer.Z1 с моторизированным столиком, позволяющим перемещать предметный столик по трем координатам с точностью 1 мкм, двойной импульсный Nd:YAG лазер с удвоителем частоты, цифровая камера с двойной экспозицией и разрешением 11 Мпикс, компьютер с программным обеспечением ActualFlow для записи изображений с камеры и обработки данных. Суть метода micro-PIV [4] заключается в следующем: в исследуемый поток добавляют флуоресцентные трассеры диаметром около 1 мкм, поток освещается импульсным лазером с зеленой длиной волны. Свет, переизлученный частицами, проходя через светофильтр, записывается на цифровую камеру. Для расчета мгновенного поля скорости применяется кросс-корреляционный алгоритм к двум изображениям, разделенным коротким интервалом времени. Среднее поле скорости получается путем осреднения корреляционных функций либо мгновенных полей скорости.
Для исследования структуры потока внутри испаряющейся капли воды использовалась дистиллированная вода, содержащая флуоресцентные частицы диаметром 3,2 мкм и плотностью 1,05 г/см3. Объемная концентрация частиц в воде равнялась 0,1%. Капля воды с трассерами помещалась на чистую стеклянную подложку (Menzel-Glaser) c помощью микропипетки (ThermoFisher). Средний объем капли был равен 1 мкл, средний диаметр капли равнялся 2 мм. Для визуализации течения в капле использовался объектив 10x/0.25. Так как визуализация капли велась снизу через ровную поверхность стеклянной подложки, в изображения частиц не вносились искажения, связанные с кривизной капли. Временной интервал между кадрами равнялся 430 мс, частота съемки кадров равнялась 1 Гц. Была проведена серия экспериментов по измерению полей скорости в испаряющихся каплях в сечениях с различным расстоянием от подложки: 7 мкм, 45 мкм и 135 мкм. Для каждого измерения было зафиксировано время между началом испарения капли и началом съемки изображений. Изображения снимались вплоть до полного испарения капли.
|
|
|
Рис. 1 Фотография (слева) и схема (справа) экспериментальной установки для измерения полей скорости с помощью метода micro-PIV
В micro-PIV измерениях лазер освещает все частицы в потоке. Плоскость, где происходит измерение скорости, определяется областью, в которой частицы находятся в резкости. При этом толщина этой плоскости может быть рассчитана аналитически [5] и определяется оптическими параметрами системы. В наших экспериментах толщина плоскости измерения была 42 мкм.
3. Обработка данных
Для обработки данных использовалось программное обеспечение “ActualFlow” [6]. Обработка данных состояла из следующих этапов. Сначала к изображениям применялся алгоритм маскирования. Таким образом, области вне капли не участвовали в дальнейшей обработке данных. Затем, по каждым 20 изображениям был рассчитан минимум интенсивности, который вычитался из каждого из изображений. Это позволило устранить фоновые шумы и уменьшить влияние частиц, находящихся вне глубины резкости объектива, и, таким образом, увеличить отношение сигнал/шум для расчета полей скорости (см. Рис. 2).
Рис. 2 Слева: исходная фотография изображений частиц в капле на расстоянии 135 мкм от подложки. Справа: изображение, обработанное для расчета поля скорости (градация серого инвертирована)
Расчет полей скорости проводился с помощью итерационного кросс-корреляционного алгоритма. Размер расчетной ячейки равнялся 128x128 пикселей, с 50% перекрытием и деформацией расчетных областей. При расчете векторов скорости использовался отсев неверных векторов, выбранных по методу медианного среднего. В результате были получены мгновенные поля скорости с разрешением 30 мкм/вектор.
4. Результаты эксперимента
На Рис. 3 (слева) представлены результаты измерений мгновенных полей скорости в испаряющейся капле без конвективных течений воздуха в сечении на расстоянии 45 мкм от подложки (для удобства восприятия показаны каждый второй вектор по горизонтали и вертикали). Можно видеть, что распределение скорости радиальное от центра капли к ее краям с увеличением скорости в направлении к контактной линии. По мере испарения капли скорость увеличивается. Существует период испарения капли, когда на границе капли образуются вихри, при этом скорость в областях вихрей увеличивается до 3 раз. На Рис. 3 (справа) показано поле скорости в капле, испаряющейся в открытую атмосферу в сечении на расстоянии 45 мкм от подложки. Структура течения представляет собой два вихря со значительным увеличением скорости вблизи контактной линии.
Рис. 3 Мгновенное поле скорости в испаряющейся капле без конвективных течений воздуха (слева) и с конвективными течениями воздуха (справа). Сечение – 45 мкм от подложки.
На Рис. 4 представлены результаты измерений мгновенных полей скорости в испаряющейся капле без конвективных течений воздуха в сечениях на различных расстояниях от подложки. Структура течения на расстоянии 135 мкм от подложки становится несимметричной, при этом минимум скорости («центр» капли) смещается с течением времени.
Рис. 4 Мгновенное поле скорости в испаряющейся капле без конвективных течений воздуха в сечениях с различными расстояниями от подложки А) 7мкм Б) 45 мкм В) 135 мкм
5. Заключение
Для визуализации течения в испаряющейся капле воды на стеклянной подложке был применен метод цифровой трассерной визуализации с микронным разрешением. Визуализация структуры течения была проведена в сечениях капли на различном расстоянии от подложки. Была показана значительная интенсификация течения внутри капли за счет обтекания воздушным потоком, что может существенно влиять на процессы тепло- и массопереноса и использоваться для проектирования капельных теплообменников и других технологических устройств.
Благодарности
Работа поддержана грантом Российского научного фонда № 14-19-01755.
Список литературы
1. Erbil H.Y. Evaporation of pure liquid sessile and spherical suspended drops: A review. Advances in Colloid and Interface Science. 2012. vol.170. pp. 67–86
2. Barash L.Yu., Bigioni T.P., Vinokur V.M., Shchur L.N. Evaporation and fluid dynamics of a sessile drop of capillary size. Physical Review E. 2009. vol.79.
3. Шашкова И.А., Скорнякова Н.М. Визуализация вихрей Марангони в капле жидкости. II Всероссийская конференция по фотонике и информационной оптике: Сборник научных трудов. М.: НИЯУ МИФИ, 2013. c. 38 – 39
4. Santiago J.G., Wereley S.T., Meinhart C.D., Beebe D.J., Adrian R.J. A particle image velocimetry system for microfluidics. Experiments in Fluids. 1998. vol. 25. pp. 316-319
5. Olsen M.G., Adrian R.J. Out-of-focus effects on particle image visibility and correlation in microscopic particle image velocimetry. Experiments in Fluids [Suppl.] 2000. pp. 166-174
6. Ахметбеков Е.К., Бильский А.В., Ложкин Ю.А., Маркович Д.М., Токарев М.П., Тюрюшкин А.Н. Система управления экспериментом и обработки данных, полученных методами цифровой трассерной визуализации (ActualFlow). Вычислительные методы и программирование. 2006. Т. 7 С. 79-85
FLOW VISUALIZATION IN EVAPORATING DROPLET ON A SUBSTRATE BY MEANS OF MICRO-PIV TECHNIQUE
A.A. Yagodnitsyna 1,2, A.V. Bilsky 1,2, O.A. Kabov1,2
1 Institute of Thermophysics SB RAS, Novosibirsk, Russia
2 Novosibirsk State University, Novosibirsk, Russia
e-mail: yagodnitsinaaa@gmail.com
Abstract
In the work results of micro-PIV technique application for flow structure investigation in an evaporating sessile droplet is presented. In different stages of droplet evaporation two-component velocity fields were measured on different distances for a substrate. Velocity field measurements were done in a close atmosphere without convective air flows and in open atmosphere with convective air flows. It was shown that convective air flow has pronounced influence on flow structure in a droplet.
Keywords: micro-PIV, droplet, evaporation
References
1. Erbil H.Y. Evaporation of pure liquid sessile and spherical suspended drops: A review. Advances in Colloid and Interface Science. 2012. vol.170. pp. 67–86
2. Barash L.Yu., Bigioni T.P., Vinokur V.M., Shchur L.N. Evaporation and fluid dynamics of a sessile drop of capillary size. Physical Review E. 2009. vol.79.
3. Shashkova I.A., Skornyakova N.M. Vizualizacija vihrej Marangoni v kaple zhidkosti [Visualization of vortex Marangoni in a drop of liquid]. II All-Russian conference on photonics and optics Information: Proceedings. NRNU MEPhI, 2013. pp. 38 - 39
4. Santiago J.G., Wereley S.T., Meinhart C.D., Beebe D.J., Adrian R.J. A particle image velocimetry system for microfluidics. Experiments in Fluids. 1998. vol. 25. pp. 316-319
5. Olsen M.G., Adrian R.J. Out-of-focus effects on particle image visibility and correlation in microscopic particle image velocimetry. Experiments in Fluids [Suppl.] 2000. pp. 166-174
6. Ahmetbekov E.K., Biel A.V., Lozhkyn Y.A., Markovich D.M., Tokarev M.P., Tyuryushkin A.N. Sistema upravlenija jeksperimentom i obrabotki dannyh, poluchennyh metodami cifrovoj trassernoj vizualizacii (ActualFlow) [Experiment management system and the data obtained by digital flow visualization (ActualFlow)]. Vychislitel’nye Metody i Programmirovanie. 2006. vol. 7 pp. 79-85