Исследование переноса микрочастиц в тонком слое жидкости под действием градиента температуры

Abstract

This article studies the main regularities of polyethylene microparticles transfer process in a layer of volatile and non-volatile fluid by thermocapillary currents under local heating and cooling. The authors show the possibility of creating circular and ring-shaped patterns by inducing positive and negative radial-directional temperature gradients. A methodology and computer program have been developed to quantify the transfer process, consisting in measuring the area of the particle pattern (assembly) formed during heating and the area freed from the particles (cleaning area) during cooling on a sequence of video recording frames obtained with an optical microscope. This technique is based on comparing the intensity of image pixels with respect to a threshold value and counting the total area of pixels occupied or not occupied by particles. The influence of such experiment parameters as the volume of the carrier fluid (layer thickness), at a constant number of particles, fluid evaporation and the ratio of particle and fluid densities on the size of the resulting pattern and the time of reaching the steady state has been established. The results show that the area of the final pattern during local heating and the clearing area, during local cooling, tends to decrease with increasing layer thickness, while the time of reaching the steady state does not depend on the layer thickness, but depends on the properties of the liquid and the ratio of particle and liquid densities.

Исследованы основные закономерности процесса переноса микрочастиц полиэтилена в слое летучей и нелетучей жидкости термокапиллярными течениями при локальном нагреве и охлаждении. Показана возможность создания круговых и кольцевых сборок частиц (паттернов) путем индуцирования положительного и отрицательного радиально-направленных градиентов температуры. Разработана методика и компьютерная программа для количественной оценки исследуемого процесса переноса, которая заключается в измерении площади паттерна частиц, формируемого при нагреве и площади, освобождаемой от частиц (площадь очистки) при охлаждении на последовательности кадров видеозаписи, полученной с помощью оптического микроскопа. Методика основана на сравнении интенсивности пикселей изображения относительно порогового значения и подсчете общей площади пикселей, занятых или не занятых частицами. Установлено влияние таких параметров эксперимента, как толщина слоя несущей жидкости при постоянном числе частиц, испарение жидкости и соотношение плотностей частиц и жидкости, на размер результирующего паттерна и время достижения стационарного состояния. Показано, что площадь результирующего паттерна при локальном нагреве и площадь очистки при локальном охлаждении имеет тенденцию к уменьшению с увеличением толщины слоя, при этом время достижения стационарного состояния не зависит от толщины слоя, но зависит от свойств жидкости и соотношения плотнос­тей частиц и жидкости.