ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ВИЗУАЛИЗАЦИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В КАПЛЯХ ПРОЗРАЧНЫХ ЖИДКОСТЕЙ

Павлов И.Н., Ринкевичюс Б.С., Толкачев А.В.

inpavlov@bk.ru, rinkevbs@mail.ru, avtolk2008@yandex.ru

Национальный исследовательский университет «МЭИ»

Оглавление

1. Введение. 1

2. Метод и схема установки. 2

3. Результаты экспериментов по визуализации. 2

4. Заключение. 7

Список литературы.. 7

Аннотация

В статье описаны типичные примеры результатов экспериментов по визуализации динамики испарения, охлаждения, кристаллизации, растекания и перемешивания капель различных прозрачных жидкостей на горизонтальной стеклянной подложке с помощью метода нарушенного полного внутреннего отражения широкого коллимированного лазерного пучка. Этот метод известен достаточно давно и широко используется как удобный инструмент для измерения показателя преломления. Для расширения возможностей метода предлагается использовать широкий коллимированный пучок лазерного излучения, что позволяет получить картину распределения показателя преломления в тонком пограничном слое исследуемой жидкости толщиной несколько сотен нанометров, а не получать локальные или усредненные измерения, как обычно. В этом случае метод позволяет увидеть динамику процессов, протекающих в пограничном слое капли, если при этом происходит изменение показателя преломления жидкости, например, вследствие изменения температуры, концентрации или других физических параметров. Приведены результаты полученных на созданной установке интерференционных изображений, показывающих динамику изменения формы поверхности капель при испарении. Описаны результаты экспериментов по визуализации растекания капель воды по шероховатой поверхности.

Ключевые слова: лазерное излучение, нарушенное полное внутреннее отражение, визуализация физических процессов, пограничный слой жидкости, испарение, кристаллизация, перемешивание, растекание, капли

1. Введение

Использование современных методик визуализации физических процессов играет существенную роль в фундаментальных исследованиях. Визуализация – важный инструмент для понимания закономерностей изучаемых процессов. Кроме того, помимо качественной информации в виде визуального ряда необходимо знать количественные характеристики процессов для получения весомых научных результатов. Предложенный метод, основанный на явлении нарушенного полного внутреннего отражения (НПВО) широкого коллимированного лазерного пучка, позволяет не только увидеть процессы, невидимые невооруженным глазом, но и получать значения физических величин, изменяющихся в течение этих процессов. Сложность исследования пристеночных процессов в потоках жидкости заключается в их многопараметричности, трехмерности и нестационарности, что существенно затрудняет использование расчетных методов моделирования. Основные гидро- и теплофизические процессы развиваются в тонком пограничном слое толщиной менее миллиметра, что осложняет использование контактных методов исследования конвекции и других процессов, развивающихся в таком слое. Для проведения расчетов параметров этого слоя необходимо учитывать изменение физических свойств жидкости в нем. Все это указывает на необходимость разработки бесконтактных оптических методов исследования динамики процессов в пристеночном слое жидкости [1].

Современный этап развития лазерной техники и компьютерных технологий позволяет по-новому взглянуть на оптические методы исследования, известные достаточно давно. Например, создание лазеров продвинуло развитие интерферометрических методов далеко вперед, позволило получить узкие коллимированные (т.е. малорасходящиеся) пучки и открыло новые возможности в оптической градиентной рефрактометрии. Появление матричных ПЗС-фотоприемников дало возможность существенно повысить качество и скорость получения и обработки оптических изображений и автоматизировать многие процессы, связанные с анализом оптической информации. Развитие компьютерной техники в последнее время привело к тому, что без нее не обходится практически ни одна экспериментальная установка, кроме того, появились новые методы, такие как кросс-корреляционная обработка изображений и т.д. [2].

Все это позволило приступить к разработке оптических методов диагностики потоков жидкости на новом научно-техническом уровне. В настоящее время широко используются методы исследования потоков, основанные на регистрации лазерного излучения, рассеянного находящимися в потоке частицами. Это дало возможность визуализировать общую картину течения и измерять скорость потока по эффекту Доплера, а также наблюдать влияние оптически неоднородного потока на характер распространения в нем лазерного пучка. Также был предложен лазерный рефрактографический метод (ЛАРЕФ-метод) исследования оптически неоднородных потоков с использованием лазерных пучков специальной формы, при этом регистрация рефракционных картин ведется с помощью специализированных цифровых видеокамер с последующей компьютерной обработкой [3].

Эффект нарушенного полного внутреннего отражения (НПВО), на котором основывается разработанный в данной работе метод, известен давно [4, 5], и на нем базируются чувствительные методы измерения показателей преломления различных сред и связанных с ними их физических параметров. В работе предлагается использовать его для визуализации картины распределения показателя преломления в пристеночных слоях прозрачных жидкостей с оптическими  неоднородностями [6], например, в процессах фазовых переходов и при температурных градиентах в капле жидкости на горизонтальной подложке.

В последнее время наблюдается существенный рост интереса к капиллярной гидродинамике и теплообмену в микросистемах, вызванный интенсивным развитием электроники и медицины, а также миниатюризацией устройств в различных областях техники, например в аэрокосмической индустрии, транспорте и энергетике. В [7] кратко рассмотрены современные методы получения функциональных изображений в прижизненной микроскопии клеток и уделено основное внимание динамической когерентной фазовой микроскопии, основанной на регистрации локальных флуктуаций показателя преломления.

Не потеряла своей актуальности и задача об испарении капли жидкости в окружающий газ, несмотря на большое количество выполненных по этой теме исследований. Возросший в последнее время интерес к процессам самоорганизации в высыхающих каплях многокомпонентных жидкостей [8] привел к необходимости разработки и применения различных методов для диагностики этих процессов. Исследование испарения капли с помощью микроскопа по обычной методике позволяет получить информацию только о форме капли, но не позволяет исследовать контактный слой капли с поверхностью. В работе [9] указывается на важность исследования  пограничной области размером 100-400 мкм вблизи контактной линии капли в связи с тем, что в ней происходит наиболее интенсивный тепло- и массообмен в процессе испарения. Исследование такой области методом НПВО вполне реально, в отличие от других используемых для этой цели методов. В работе [10] представлены результаты экспериментов по кристаллизации тиомочевины и гидроксида натрия из водного раствора в микрообъеме 100 пл. Показано, что изучение факторов, влияющих на процессы самоорганизации молекул растворенных веществ в микро- или нанообъеме при высыхании растворителя, может привести к новым результатам, имеющим как прикладное значение (в микро- и нанотехнологиях), так и теоретическое (новые классы задач в физике фракталов и сильно нестационарных, диссипативных процессов). В [11] проведено теоретическое исследование различных режимов испарения капли. Расчеты, проведенные авторами указанной работы, показывают, что существует несколько режимов испарения с различным количеством вихрей в капле. В работе [12] описана рефракционная система для исследования испарения капель жидкости с твердой поверхности, основанная на теневом фоновом методе визуализации оптически неоднородных сред. С помощью  рефракционной установки была проведена визуализация испарения микролитровых капель воды, этанола и этилацетата. При анализе экспериментальных данных установлено, что после растекания капли по поверхности стекла в ней происходит перераспределение жидкости, это соответствует изменению цвета и формы капли на изображениях, полученных после обработки. Испарение осуществляется со всей поверхности капли, нагляднее всего это наблюдается на участках с наименьшей толщиной пленки воды. Использование интерференционного метода для исследования испаряющейся капли хорошо показано в [13]. Описана экспериментальная установка на основе интерферометра Майкельсона, в одном из плеч которого расположена исследуемая капля, а в другом - эталонная. На экране наблюдается разностная интерференционная картина в виде колец Ньютона, по результатам обработки которой можно определить радиус кривизны исследуемой капли жидкости. В [14] описана экспериментальная установка для исследования испарения пиколитровых капель при пониженном давлении. Изображения испаряющейся капли в ней получаются с помощью цифрового оптического микроскопа, что позволяет получать информацию лишь о форме внешней поверхности капли. В [15] описана экспериментальная установка для измерения температуры капли жидкости, контактирующей с подложкой (в виде стеклянной призмы), а также для визуализации падения и испарения капли жидкости. В этой работе выполняется измерение температуры границы раздела между призмой и каплей путем определения изменения коэффициента отражения узкого лазерного пучка от этой границы раздела, а также визуализация падения, растекания и испарения капли жидкости с помощью высокоскоростной видеокамеры. В отличие от такого подхода, который позволяет получать точечные измерения температуры границы раздела капли с призмой, предложенный в настоящей статье метод с использованием широкого коллимированного пучка позволяет получать пространственное распределение температуры по этой границе раздела.

Что касается процессов кристаллизации воды, то, несмотря на многочисленные исследования по данному вопросу, окончательного ответа о механизме кристаллизации льда до сих пор нет [16]. Поэтому задача исследования динамики процесса кристаллизации остается актуальной до сих пор. Например, в [17] приведены результаты исследования изображений водных растворов при их замораживании, полученных с помощью оптического микроскопа и показано, что структура замороженной капли изменяется в зависимости от вида примесей в воде. С помощью метода НПВО эти особенности могут быть определены более явно, что необходимо для автоматизации обработки изображений.

Динамическое состояние капли при ее растекании на горизонтальной подложке может служить для оценки степени чистоты поверхности подложек, очищенных плазмохимическим травлением, как показано в работе [18]. В этой работе изображения капли регистрируются видеокамерой, установленной сверху подложки. При этом обработка изображений для получения точных количественных характеристик значительно затруднена из-за того, что поверхность капли имеет сложную форму, а сама капля является прозрачной. При регистрации изображений с помощью метода НПВО на созданной экспериментальной установке обработка изображений существенно упрощается и имеется возможность контролировать именно площадь контактного пятна капли с поверхностью стеклянной подложки. Исследование свойств приповерхностных слоев жидкости до сих пор является актуальным, что хорошо показано в [19], где подробно рассматриваются физикохимические свойства различных поверхностей. Также, до сих пор остается открытым вопрос о граничных условиях прилипания и скольжения для различных поверхностей [20], что также представляет большой интерес для современных исследований.

2. Метод и схема установки

Суть метода исследования физических процессов в пристеночном слое жидкости, используемого в данной работе, состоит в следующем. Лежащая на охлаждающей поверхности капля с показателем преломления n₂ приводится в соприкосновение с горизонтальной границей раздела стеклянной призмы (n₁) и воздуха (n₃), где происходит ее охлаждение и последующая кристаллизация. Поверхность призмы освещается широким параллельным лазерным пучком, падающим под углом θ_i, большим критического угла ПВО для границы стекло-воздух, но меньшим такого угла для границы стекло-жидкость, т.е. . Так как условие ПВО для жидкости не выполняется, то коэффициент отражения для части пучка, отраженной от капли, меньше коэффициента отражения для части пучка, отраженной от воздуха (который равен единице). Оптимальным с точки зрения чувствительности метода является случай с поляризацией падающего излучения, параллельной плоскости падения [6], поэтому в дальнейшем рассматривается именно этот случай. Тогда энергетический коэффициент отражения определяется по формуле:

,    (1)

где θ_i – угол падения лазерного пучка, n₁ – показатель преломления призмы, n₂(x, y) – распределение показателя преломления жидкости на границе раздела.

Поэтому в отраженном свете на светлом фоне пучка, отраженного от границы с воздухом, видно темное изображение капли. Таким образом визуализируется положение капли и размер контактного пятна. По измерению коэффициента отражения ρ_|| от капли для заданного угла θ_i можно определить показатель преломления жидкости n₂.

Схема экспериментальной установки представлена на рисунке 1. Она может работать в двух режимах: рефлекционном, когда измеряется коэффициент отражения в каждой точке изображения и интерференционном, когда при определенных условиях на изображение капли накладывается интерференционная картина, появление которой объяснено ниже. Излучение от лазера 1 проходит через оптическую систему расширителя пучка 2, представляющую собой телескопическую систему из двух собирающих линз с разными фокусными расстояниями и пространственный фильтр в виде точечной диафрагмы. Расширенный коллимированный пучок излучения диаметром 40 мм, пройдя через боковую поверхность призмы 3, отражается от ее основания, служащего подложкой для испаряющейся капли 4. Угол отражения соответствует условию ПВО для границы призма-воздух. Далее отраженный пучок попадает на диффузно рассеивающий экран 5, изображение на котором регистрируется с помощью ПЗС-камеры 6 и затем обрабатывается на компьютере 7 [21].

1 – лазер;  2 – расширитель пучка;  3 – призма; 4 – капля; 5 – экран;

6 – ПЗС-камера; 7 – компьютер

Рис. 1 – Схема  экспериментальной  установки для динамической визуализации физических процессов в каплях жидкостей

3. Результаты экспериментов по визуализации

Капля исследуемой жидкости известного объема, создаваемая с помощью микродозатора Ленпипет Лайт, помещалась на горизонтальное основание измерительной призмы. Угол падения лазерного излучения на основание призмы подбирался таким образом, чтобы он был больше угла ПВО для границы раздела «призма-воздух», но меньше такого угла для границы «призма-жидкость». При этом на экране возникало темное изображение капли на светлом фоне пучка. С помощью метода НПВО измерялось изменение показателя преломления капли жидкости [22], а с помощью интерференционного метода определялась динамика ее испарения. В экспериментах использовались такие жидкости, как дистиллированная вода, изопропиловый спирт, ацетон, водные растворы соли и сахара, водные растворы глицерина. На рисунке 2 приведены примеры полученных изображений при испарении капли дистиллированной воды. Изображение а) получено при фотографировании изображения капли в отраженном свете на экране, изображения б) и в) – при фотографировании непосредственно с поверхности призмы, они отличаются различными углами падения пучка на границу раздела. Изображение круглой капли получается в виде эллипса, так как широкий пучок излучения, регистрируемый видеокамерой, падает на рабочую поверхность призмы, служащую подложкой для лежащей капли, под углом.

а)	б)	в)

Рис. 2 – Рефлектографические изображения капли воды при угле падения пучка, близком к критическому углу ПВО (а, б) и при НПВО (в)

Так как в установке используется источник когерентного излучения – лазер, то при определенных условиях в изображении капли появлялась система интерференционных колец. На рисунке 3 показаны примеры полученных изображений с системой интерференционных колец при испарении капли дистиллированной воды.

[Нажмите на изображение для анимации]

Рис. 3 – Динамика изменения интерференционных картин в изображении испаряющейся капли дистиллированной воды

Из рисунка 3 видно, что изображения капли на экране содержат две системы интерференционных колец: по контуру капли наблюдается стационарная интерференционная картина (ИК), обусловленная краевыми эффектами, а в центре капли – бегущая, вид которой связан с изменением во времени формы и объема капли при испарении, в то время как первая обусловлена формой контактной линии капли.

На рисунке 4 показана схема, поясняющая образование бегущей ИК. Как можно увидеть, интерферируют лучи, отраженные от границы раздела призмы с каплей и лучи, прошедшие через эту границу и отраженные от внешней поверхности капли. Разность хода между ними рассчитывается по формулам, аналогичным с использующимися в случае с расчетом интерференционных колец Ньютона [21]. На рисунке 5 показана расчетная бегущая ИК, вид которой хорошо совпадает с экспериментальной ИК.

Рис. 4 – Распространение интерферирующих лучей a и b в капле, находящейся на поверхности призмы: 1 – призма, 2 – капля, 3 - экран

[Нажмите на изображение для анимации]

Рис. 5 - Расчетная интерференционная картина в отраженном от капли лазерном пучке

В экспериментах по визуализации испарения капель быстроиспаряющихся жидкостей, некоторые результаты которых показаны на рисунке 6, съемка производилась непосредственно с поверхности призмы.

а)	б)
[Нажмите на изображение для анимации]

Рис. 6 – Динамика изменения интерференционных картин в изображениях капель быстроиспаряющихся жидкостей: денатурированного спирта (а) и изопропанола (б)

Изображения капель получены для угла падения пучка меньше критического угла ПВО для границы раздела «призма-жидкость». Как видно из рисунка 6, в этом случае бегущая ИК практически полностью занимает все изображение капли. В экспериментах по визуализации испарения капли кроме дистиллированной воды использовались такие жидкости, как изопропиловый спирт, этиловый спирт, растворитель, ацетон, водные растворы соли, сахара и глицерина, а также коллоидный раствор серебряных наночастиц. Анализ изменения интерференционной картины  позволяет получить информацию о динамике испарения капли жидкости с горизонтальной подложки. Искажения формы интерференционных колец связаны с отличием формы поверхности капли от сферической. Скорость движения колец характеризует скорость испарения капли.

При визуализации испарения сахарного раствора угол падения излучения на поверхность призмы подбирался равным углу ПВО для этой жидкости. Поэтому в первый момент времени на экране виден только контур капли на ярком фоне, так как весь пучок испытывает ПВО. По мере испарения воды из раствора показатель преломления капли увеличивается, условие ПВО нарушается, и изображение капли начинает темнеть. Рисунок 7 показывает динамику изменения полученных в этом эксперименте изображений. Появление ИК значительно затрудняет определение показателя преломления капли. Интерференционная картина, появляющаяся на изображении капли в случае визуализации испарения сахарного раствора, имеет сложную форму, что также затрудняет ее обработку по алгоритму для интерференционных изображений.

[Нажмите на изображение для анимации]

Рис. 7 – Рефлектографические изображения капли сахарного раствора в процессе испарения

При визуализации кристаллизации соли из раствора регистрация проводилась как с помощью метода НПВО, так и с помощью непосредственной съемки камерой сверху. Выявленная в результате экспериментов особенность состояла в том, что в конце процесса кристаллизации на экране не оставалось следов нарушения ПВО кристалликами соли. При непосредственном наблюдении сверху капли видно, что процесс кристаллизации при высыхании капли происходит следующим образом (рисунок 8). Сначала образуется несколько небольших кристалликов на краях капли. Затем они растут, и по мере роста сдвигаются ближе к центру капли. При этом уже не происходит образования новых кристалликов. При максимальном сближении кристаллики образуют кольцо вокруг центра капли. В течение всего этого времени размер контактного пятна капли остается постоянным, уменьшается лишь ее высота. После того, как высота достигнет определенного значения, размер капли начинает уменьшаться, сначала с краев, затем внутри кольца, образованного кристалликами. Вода остается лишь под ними, и испаряется оттуда еще продолжительное время. Пока вода полностью не испарилась, на экране установки в отраженном лазерном свете видны следы нарушения ПВО. Как только вся вода испарится, эти следы исчезают.

[Нажмите на изображение для анимации]

Рис. 8 – Динамика процесса кристаллизация соли из водного раствора при высыхании капли

Проводились эксперименты по визуализации кристаллизации капли дистиллированной воды при ее охлаждении с помощью элемента Пельтье на адаптированной установке [23]. В этом случае капля превращалась в мениск или пленку в зависимости от величины зазора между поверхностями призмы и элемента Пельтье. Примеры полученных изображений пристеночного слоя воды для разных значений зазора между призмой и элементом Пельтье, т.е. для разных значений высоты мениска, приведены на рисунке 9. Объем жидкости равнялся 10 мкл.

а)	б)	в)
[Нажмите на изображение для анимации]

Рис. 9 – Примеры изображений кристаллизующейся капли для разных моментов времени (от начала охлаждения), полученные при разной величине зазора между призмой и элементом Пельтье: а) 1,5 мм; б) 1,0 мм; в) 0,5 мм.

Из приведенных рисунков видно, что контактный слой капли с поверхностью призмы имеет разную структуру при кристаллизации для разных высот капли. Для больших значений (1-1,5 мм) величины зазора между призмой и элементом Пельтье, куда помещается капля, имеет место образование крупных, радиально направленных пузырьков воздуха в виде вытянутых эллипсов в контактном слое с призмой (призма расположена сверху капли). Для меньших значений величины зазора (0,3-0,7 мм) имеет место образование мелкоячеистой  структуры (вкрапления пузырьков воздуха во льду) по краям капли, а в центре – образование большого пузыря воздуха, который не нарушает ПВО в этом случае. При этом в отличие от наблюдения  за кристаллизацией капли в микроскоп, метод НПВО позволяет определить, в каком месте капли находится каждая из фаз – воздух, вода и лед – по соответствующему коэффициенту отражения, что наблюдается и  визуально (рисунок 10).

а)59º	б)52º

Рис. 10 – Картины визуализации, полученные при замораживании капли воды для разных углов падения пучка на границу раздела

На рисунке 11 показаны результаты эксперимента, в котором величина зазора составляла около 0,1 мм. При этом капля растеклась тонкой пленкой внутри этого зазора. В этом случае при ее охлаждении происходило образование практически ровного фронта кристаллизации, который двигался от одного края призмы к другому. На рисунке в левой части изображений жидкая фаза воды, в правой – твердая. Под изображениями указано время после включения охладителя. Скорость движения фронта кристаллизации составила 1,3 мм/с.

266 с	270 с	277 с

Рис. 11 – Распространение фронта кристаллизации в тонкой (толщиной 0,1 мм) пленке воды между призмой и элементом Пельтье

Для сравнения далее приведены результаты визуализации процесса кристаллизации капли дистиллированной воды при охлаждении на элементе Пельтье с помощью оптического микроскопа. Примеры полученных с помощью цифровой камеры Pixelink изображений показаны на рисунке 12.

[Нажмите на изображение для анимации]

Рис. 12 – Изображения капли дистиллированной воды, полученные при ее охлаждении с помощью оптического микроскопа и видеокамеры Pixelink

Из приведенных результатов можно сделать вывод о том, что при визуализации кристаллизации капли жидкости с помощью микроскопа можно визуально наблюдать развитие процесса кристаллизации и определить время от начала замораживания до начала кристаллизации капли. В описанных условиях это время составляло 20-30 с, а время от начала кристаллизации до перехода всего объема капли в твердую фазу составляло 2-3 с.

Приведем результаты экспериментальных исследований процесса растекания капли жидкости на поверхностях с разными шероховатостями. В качестве таких поверхностей использовались основания призм, обработанные шлифовальными порошками с различным размером зерен – М-28 (призма №1), М-14 (призма №2) и М-7 (призма №3). Также использовалась призма со стандартной чистотой обработки оптической поверхности (призма №4). Предметом исследования являлось изучение динамического состояния капли жидкости после ее попадания на поверхность призмы. Капля объемом 15 мкл создавалась с помощью микродозатора Ленпипет Лайт, жестко закрепленного на установке сверху призмы, при этом расстояние от наконечника дозатора до поверхности призмы составляло 8 мм. Характерные времена изменения размера контактного пятна капли – десятки мс, поэтому для регистрации изображений использовалась высокоскоростная камера HiSpec 2G Mono фирмы Fastec Imaging. Камера фокусировалась на поверхность призмы в том месте, куда помещалась капля. Угол падения пучка был больше угла ПВО для границы раздела призма-воздух, но меньше такого угла для границы призма-жидкость в случае с гладкой поверхностью. При этом получалось темное изображение капли на светлом фоне. Изображения записывались с частотой 1500 Гц. Примеры полученных изображений для растекания капли дистиллированной воды по поверхности стеклянной призмы показаны на рисунке 13.

a) призма №4	б) призма №3
[Нажмите на изображение для анимации]

Рис. 13 – Растекание капли воды на поверхности стеклянной призмы для различных моментов времени

По результатам обработки этих изображений можно сделать вывод о том, что данный подход применим для оценки степени шероховатости прозрачных подложек.

В экспериментах по визуализации перемешивания капель жидкостей они поочередно помещались рядом друг с другом с помощью микродозатора на горизонтальную поверхность стеклянной призмы, освещенную широким параллельным лазерным пучком. При этом получались картины визуализации взаимодействия этих двух капель. В экспериментах использовались такие жидкости, как дистиллированная вода, изопропиловый спирт, глицерин, касторовое масло. На рисунке 14 а) приведены картины визуализации перемешивания капли глицерина (слева) и капли изопропилового спирта (справа), на рисунке 14 б) показано взаимодействие капли дистиллированной воды (слева) и капли глицерина (справа), а на рисунке 14 в) показано взаимодействие капли дистиллированной воды (слева) и капли касторового масла (справа). Видно, что для перемешивающихся капель сначала происходит соприкосновение их поверхностей, затем их массы перераспределяются таким образом, чтобы занять наименьший объем, после этого происходит перемешивание жидкостей внутри этого объема до гомогенизации. У капель неперемешивающихся жидкостей (вода и масло) взаимодействие происходит без перемешивания. На приведенной анимации 14 в) процесс показан до полного испарения капли воды.

а)	б)
[Нажмите на изображение для анимации]

в)

[Нажмите на изображение для анимации]

Рис. 14 – Картины визуализации процесса перемешивания капли глицерина с каплей изопропилового спирта (а), глицерина и воды (б) и воды и касторового масла (в)

4. Заключение

В работе показаны типичные примеры визуализации различных физических процессов, происходящих в каплях жидкостей, с помощью метода НПВО широкого коллимированного лазерного пучка. Показана возможность исследования этим методом процессов в прозрачных жидкостях, которые невозможно увидеть прямым наблюдением. Особенность метода также состоит в том, что с помощью него удается заглянуть в тонкй пограничный слой жидкости толщиной несколько сотен нанометров, что недоступно для других методов. Использование современной техники и методики регистрации и обработки изображений позволяет подробно изучать динамику протекания этих процессов, что необходимо для более полного понимания некоторых их особенностей и уточнения теоретических расчетных моделей. Полученные этим методом изображения поддаются компьютерной обработке с целью получения количественных характеристик исследуемых процессов. По интерференционным картинам, полученным в экспериментах по визуализации испарения капель можно восстановить форму поверхности капли в разные моменты времени. Видно, что в то время как у капли воды форма очень близка к усеченной сфере, у капель быстроиспаряющихся жидкостей или у капли сахарного раствора форма капли намного сложнее. По динамическим характеристикам процесса растекания капли по подложке можно судить о степени шероховатости последней. При кристаллизации капли во время охлаждения структура пристеночного слоя может меняться в зависимости от внешних условий, что легко увидеть по результатам проведенных экспериментов. Особенность же процессов перемешивания капель состоит в различном характере перераспределения масс капель при взаимодействии для различных жидкостей.

Благодарности

Работа выполнена при финансовой поддержке грантов РФФИ № 12-08-31208-мол_а и 14-08-00948-а.

Список литературы

1. Ринкевичюс Б.С. Лазерная диагностика потоков / Под ред. В.А. Фабриканта. М.: Издательство МЭИ. 1990.

2. Современные оптические методы исследования потоков: Коллективная монография / Под ред. Б.С. Ринкевичюса. М.: Оверлей. 2011.

3. Евтихиева О.А., Расковская И.Л., Ринкевичюс Б.С. Лазерная рефрактография. М.: Физматлит. 2008.

4. Харрик Н. Спектроскопия внутреннего отражения. М.: Мир. 1970.

5. Кизель В.А. Отражение света. М.: Наука, 1973.

6. Pavlov I.N., Rinkevichyus B.S. Near-Wall Liquid Flows Visualization on Frustrated Total Internal Reflection // Optical Memory and Neural Networks (Information Optics), 2009, Vol. 18, No. 4, pp. 322-327.

7. Тычинский В. П. Когерентная фазовая микроскопия внутриклеточных процессов // Успехи физических наук, 171:6, 2001. С. 649–662.

8. Тарасевич Ю.Ю., Исакова О.П., Водолазская И.В. Математическое моделирование процессов формирования и эволюции межфазных фронтов в высыхающих каплях многокомпонентных жидкостей // Процессы самоорганизации в высыхающих каплях многокомпонентных жидкостей: эксперименты, теории, приложения : Материалы I Международной конференции. – Астрахань: Издательский дом «Астраханский университет», 2010. С. 7–25.

9. Dhavaleswarapu H.K., Migliaccio C.P., Garimella S., Murthy J.Y. Experimental Investigation of Evaporation from Low-Contact-Angle Sessile Droplets // Langmuir, 2010, №26(2), pp. 880-888.

10. Андреева Л.В., Новоселова А.С., Лебедев-Степанов П.В., Иванов Д.А., Кошкин А.В., Петров А.Н., Алфимов М.В. Закономерности кристаллизации растворенных веществ из микрокапли // Журнал технической физики, 2007, Т. 77, №2, с. 22-30.

11. Barash L.Yu., Bigioni T.P., Vinokur V.M., and Shchur L.N. Evaporation and fluid dynamics of a sessile drop of capillary size // Phys. Rev. E 79, 046301, 2009.

12. Михалев А.С., Скорнякова Н.М. Рефракционная система для исследования испарения капель жидкости с твердой поверхности // Метрология. 2010. № 11. С. 22-29.

13. Пызин Г.П., Ушаков В.Л. и др. Измерение радиусов кривизны лежащих капель воды в процессе их испарения методом интерферометрии // Вестник ЮУрГУ. Серия «Математика. Механика. Физика», 2009, Вып. 1, № 22(155). С. 87–90.

14. Saverchenko V.I., Fisenko S.P., Khodyko Yu.A. Evaporation of a picoliter droplet on a wetted substrate at reduced pressure // Journal of Engineering Physics and Thermophysics, Vol. 84, No. 4, July, 2011. Pp. 723-729.

15. Bhardwaj R., Longtin J.P., Attinger D. Interfacial temperature measurements, high-speed visualization and finite-element simulations of droplet impact and evaporation on a solid surface  // International Journal of Heat and Mass Transfer. V. 53. 2010. P. 3733.

16. Emily B. Moore & Valeria Molinero. Structural transformation in supercooled water controls the crystallization rate of ice // Nature  479, 2011, pp. 506–508.

17. Зырянов А.А., Шереметьев М.В., Пронин С.П., Зрюмова А.Г. Визуальное исследование кристаллизации водных растворов // Ползуновский альманах, 2012, №2, с. 140-141.

18. Бородин С.А., Волков А.В., Казанский Н.Л. Автоматизированное устройство для оценки степени чистоты подложки по динамическому состоянию капли жидкости, наносимой на ее поверхность // Компьютерная оптика, 2006, №28, с. 70-75.

19. Ролдугин В.И. Физикохимия поверхности. – Долгопрудный : Интеллект, 2008. – 665с.

20. Vinogradova O.I., Belyaev A.V. Wetting, roughness and flow boundary boundary conditions // Journal of Physics: Condensed Matter, 2011, №23, 184104, 15 pp.

21. Павлов И.Н., Ринкевичюс Б.С., Толкачев А.В. Установка для визуализации испарения капли жидкости методом нарушенного полного внутреннего отражения лазерного пучка // «Приборы и техника эксперимента», 2013, №2. С. 130-135.

22. Павлов И.Н., Ринкевичюс Б.С., Толкачев А.В. Лазерный визуализатор неоднородности пристеночных слоев жидкости // Измерительная техника, 2010, №10. С. 33-35.

23. Павлов И.Н., Ринкевичюс Б.С., Толкачев А.В. Визуализация процессов кристаллизации в поверхностном слое капли воды // Метрология, 2013, №3. С. 11-17.

---

EXPERIMENTAL VISUALIZATION OF PHYSICAL PROCESSES IN tRANSPARENT LIQUID DROPS

Pavlov I.N., Rinkevichyus B.S., Tolkachev A.V.

inpavlov@bk.ru, rinkevbs@mail.ru, avtolk2008@yandex.ru

National Research University “MPEI”

Abstract

The typical examples of experimental results on visualization of evaporating, cooling, crystallization, spreading and mixing of different transparent liquid drops on horizontal glass surface using frustrated total internal reflection of a wide collimated laser beam method are described in the paper. This method is known for a long time and widely used as a convenient tool for measuring the refractive index. To extend the capabilities of the method proposed to use a wide collimated laser beam that allows you to get a picture of the refractive index distribution in a thin boundary layer of the investigated liquid thickness of several hundred nanometers, and not receive local or averaged measurement as usual. In this case, the method allows to see the dynamic of the processes in the droplets boundary layer if there is a change in refractive index of liquid, e.g., due to changes in temperature, concentration or other physical parameters. Furthermore, interference picture are shown which were obtained with created setup. It shows the dynamic change of drops surface shape during evaporation. Also the results of experiments on visualization of spreading of a water drops on a rough surface are described.

Keywords: laser radiation, frustrated total internal reflection, visualization of physical processes, liquid boundary layer, evaporation, crystallization, mixing, spreading, drops

References

1. Rinkevichyus B.S. Laser Diagnostics of Flows / Ed. V.A. Fabrikant. М.: MPEI Publishing house. 1990.

2. Modern optical methods of flow investigations: Collective monograph / Ed. B.S. Rinkevichyus. М.: Overlay. 2011.

3. Evtikhieva О.А., Raskovskaya I.L., Rinkevichyus B.S. Laser refractography. М.: Fizmatlit. 2008.

4. Harrick N.J. Internal reflection spectroscopy. М.: Mir. 1970.

5. Kizel V.А. Light reflection. М.: Nauka, 1973.

6. Pavlov I.N., Rinkevichyus B.S. Near-Wall Liquid Flows Visualization on Frustrated Total Internal Reflection // Optical Memory and Neural Networks (Information Optics), 2009, Vol. 18, No. 4, pp. 322-327.

7. Tychinskii V.P. Coherent phase microscopy of intracellular processes // Phys. Usp. 44 617–629, 2001.

8. Tarasevich Yu.Yu., Vodolazskaya I.V., Isakova O.P. Mathematical modeling of the formation and evolution of interfacial fronts in drying drops of multicomponent fluids // Self-organization processes in drying drops of multicomponent fluids: experiments, theories and applications: Proceedings of the I International Conference. – Astrakhan: Publishing house «Astrakhanskii universitet», 2010. Pp. 7–25.

9. Dhavaleswarapu H.K., Migliaccio C.P., Garimella S., Murthy J.Y. Experimental Investigation of Evaporation from Low-Contact-Angle Sessile Droplets // Langmuir, 2010, №26(2), pp. 880-888.

10. Andreeva L.V., Novoselove A.S., Lebedev-Stepanov P.V., Ivanov D.A., Koshkin A.V., Petrov A.N., Alfimov M.V. Laws of crystallization of dissolved substances microdroplets // Technical Physics, 2007, V. 77, No.2, pp. 22-30.

11. Barash L.Yu., Bigioni T.P., Vinokur V.M., and Shchur L.N. Evaporation and fluid dynamics of a sessile drop of capillary size // Phys. Rev. E 79, 046301, 2009.

12. Mikhalev A.S., Skornyakova N.M. A Refraction system for studying evaporation of liquid drops from a solid surface // Measurement Techniques. 2011. V. 53. No. 12. Pp. 1337-1341.

13. Pyzin G.P., Ushakov V.L. et al. The determination of the radius of curvature of water sessile drops in the process of the free evaporation by the interferometric method // Vestnik YuUrGU. «Mathematics. Mechanics. Physics», 2009, V. 1, No. 22(155). Pp. 87–90.

14. Saverchenko V.I., Fisenko S.P., Khodyko Yu.A. Evaporation of a picoliter droplet on a wetted substrate at reduced pressure // Journal of Engineering Physics and Thermophysics, Vol. 84, No. 4, July, 2011. Pp. 723-729.

15. Bhardwaj R., Longtin J.P., Attinger D. Interfacial temperature measurements, high-speed visualization and finite-element simulations of droplet impact and evaporation on a solid surface  // International Journal of Heat and Mass Transfer. V. 53. 2010. P. 3733.

16. Emily B. Moore & Valeria Molinero. Structural transformation in supercooled water controls the crystallization rate of ice // Nature  479, 2011, pp. 506–508.

17. Ziryanov A.A., Sheremet'ev M.V., Pronin S.P., Zryumova A.G. Visual examination of the crystallization of aqueous solutions // Polzunovskii almanah, 2012, No. 2, pp. 140-141.

18. Borodin S.A., Volkov A.V., Kazanskii N.L. An automated apparatus for evaluating the degree of purity of the substrate on the dynamic state of a liquid droplet applied to the surface // Computer optics, 2006, No. 28, pp. 70-75.

19. Roldugin V.I. Physical Chemistry of Surfaces. – Dolgoprudniy : Intellect, 2008. – 665p.

20. Vinogradova O.I., Belyaev A.V. Wetting, roughness and flow boundary boundary conditions // Journal of Physics: Condensed Matter, 2011, №23, 184104, 15 pp.

21. Pavlov I.N., Rinkevichyus B.S., Tolkachev A.V. A Setup for Visualizing the Evaporation of a Liquid Drop Using the Method of Frustrated Total Internal Reflection of a Laser Beam // «Instruments and Experimental Techniques», 2013, Vol. 56, No. 2. Pp. 242-246.

22. Pavlov I.N., Rinkevichyus B.S., Tolkachev A.V. A laser visualizer of inhomogeneity in near-wall layers of a liquid // Measurement techniques, 2010, Vol. 53, No. 10. Pp. 1130-1134.

23. Pavlov I.N., Rinkevichyus B.S., Tolkachev A.V. Visualization of Crystallization processes in the near-wall layer of a water drop // Measurement Techniques, 2013, Vol. 56, No. 3. Pp. 271-274.