Лабораторное моделирование компрессии поверхностных пленок средними течениями, индуцированными поверхностными волнами

Как известно, поверхностные волны индуцируют поверхностные напряжения, которые при переходе в область пленки возрастают за счет увеличения затухания волн на пленке, тем самым создается результирующее поверхностное напряжение, направленное против сил поверхностного натяжения и препятствующее растеканию поверхностно-активного вещества. Целью лабораторных экспериментов являлось моделирование физического механизма локализации пленки поверхностно-активного вещества (ПАВ) и формирования квазистационарной сликовой полосы под действием регулярных периодических поверхностных волн, распространяющихся из области чистой воды по обе стороны от полосы в область слика. Лабораторная установка на базе кольцевого ветроволнового бассейна ИПФ РАН включала два управляемых волнопродуктора, расположенных друг напротив друга в рабочей части бассейна на расстоянии 3 метра, два струнных волнографа, расположенных между волнопродукторами, профессиональную фотокамеру высокого разрешения, ультрафиолетовую лампу (УФ) подсветки, чистые флуоресцирующие в УФ полимерные частицы, а также бумажные миллиметровые маркеры поверхностных течений, наносимые на поверхность воды.
Лабораторные эксперименты проводились в кольцевом бассейне в одной из его прямых частей. Волнопродукторы запитывались переменным синусоидальным напряжением от низкочастотных генераторов. За волнопродукторами устанавливались волногасители - наклонные отмели с коэффициентами отражения волн не более 0.07. Отмели одновременно служили и барьерами, ограничивающими рабочую область в бассейне. Сигналы с волнографов регистрировались на компьютере. Были проведены серии экспериментов для волн с частотами 4 и 5 Гц, для чистой воды и при двух концентрациях пленки ПАВ. Для создания пленок использовались спиртовые растворы олеиновой кислоты (OLE) с различными концентрациями, поверхностная концентрация ПАВ определялась по количеству раствора OLE, наносимого на поверхность в рабочей части бассейна. На чистую поверхность воды и на поверхность с пленкой вблизи волнопродукторов наносились частицы, маркирующие поверхностный дрейф. Движение маркеров фиксировалось на последовательных фотоснимках с периодом 1 с при освещении видимым светом и при УФ освещении флуоресцирующих частиц.
После одновременного включения волнопродукторов на поверхности воды в рабочей части бассейна создавались две системы бегущих навстречу друг другу поверхностных волн. Генерируемые волнами индуцированные напряжения приводили к дрейфу пленки от каждого из волнопродукторов и ее концентрировании в средней части рабочей зоны. По данным наблюдений движения маркеров было установлено, что происходит симметричное (в случае точного равенства амплитуд встречных волн) сжатие пленки и ее локализация в средней части рабочей зоны. При этом можно было выделить следующие особенности распределения ПАВ: в центральной части бассейна формировалась “плотная” пленка, в области которой волны практически отсутствовали из-за их затухания, соответственно, поверхностные индуцированные течения здесь также практически отсутствовали, что было видно по отсутствию маркеров в этой области; при приближении к волнопродукторам в области, где волны не успевали существенно затухнуть, формировалась область более “разреженной пленки”. Здесь наблюдались сложные вихревые движения маркеров, скорости которых уменьшались по мере их приближения к области плотной стационарной пленки. Наконец, вблизи волнопродукторов формировалась область практически чистой воды, пленка на поверхности здесь практически отсутствовала из-за ее сноса индуцированным дрейфом. Были выполнены первые измерения изменчивости физических характеристик пленки в указанных выше областях. Измерения проводились сеточным методом с последующим измерением характеристик пленок методом параметрических волн. По измеренным длине волны и порогу возбуждения волн определялись коэффициент поверхностного натяжения и упругость пленки. Было получено, что коэффициент поверхностного натяжения монотонно падает по мере перехода из области разреженной в область более плотной пленки. Полученный в эксперименте эффект образования квазистационарной локализованной пленки моделирует формирование сликовых полос в поле поверхностных волн в натурных условиях. Исследование выполнено при поддержке гранта Российского научного фонда (проект № 18-77-10066).