ITMO
en/ en

ISSN: 1023-5086

en/

ISSN: 1023-5086

Научно-технический

Оптический журнал

Полнотекстовый перевод журнала на английский язык издаётся Optica Publishing Group под названием “Journal of Optical Technology“

Подача статьи Подать статью
Больше информации Назад

DOI: 10.17586/1023-5086-2024-91-04-123-134

УДК: 543.45; 535.41; 532.64, 536.24

Оптические методы для измерения толщин тонких испаряющихся плёнок жидкости

Гатапова Е.Я., Пещенюк Ю.А.

Полный текст на elibrary.ru

Ссылка для цитирования:

Гатапова Е.Я., Пещенюк Ю.А. Оптические методы для измерения толщин тонких испаряющихся плёнок жидкости // Оптический журнал. 2024. Т. 91. № 4. С. 123–134. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2024-91-04-123-134

 

Gatapova E.Ya., Peschenyuk Y.A. Optical methods for measuring the thickness of thin evaporating liquid films [In Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2024. V. 91. № 4. P. 123–134. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2024-91-04-123-134

Ссылка на англоязычную версию:
-
Аннотация:

Предмет исследования. Исследование особенностей испарения, поверхностных деформаций, разрывов, толщин капель и тонких плёнок жидкости, испаряющихся на нагреваемых поверхностях оптическими методами. Задача актуальна для проектирования систем охлаждения микроэлектронного оборудования, основанных на интенсивном испарении тонких плёнок жидкости. Цель работы. Измерение толщин тонких плёнок жидкости менее 20 мкм до десятков нанометров бесконтактными методами, а также анализ изменения скорости испарения с поверхности капли и тонкой плёнки жидкости. Метод. Приведены результаты измерений толщин тонких плёнок жидкости двумя оптическими методами: интерференционным с анализом изображений и шлирен-методом с градиентным фильтром. Основные результаты. Получены количественные данные по интенсивности испарения тонких капель жидкости на нагреваемых поверхностях для летучих и нелетучих жидкостей. Методом интерферометрии с анализом изображений измерены толщины плёнок жидкости вплоть до 40 нм и измерены величины динамических краевых углов смачивания испаряющейся тонкой капли жидкости. Применён шлирен-метод со ступенчатым фильтром для измерения толщин плёнок жидкости на чёрном кремнии. Использование подложки, поглощающей свет видимого диапазона, позволило измерить толщины плёнок жидкости до 2 мкм. По значениям углов наклона поверхности восстановлены толщина, площадь поверхности и объём капли для анализа интенсивности испарения. Практическая значимость. Представленные в работе два оптических метода измерения толщины тонких плёнок жидкости позволяют эффективно определять в динамике толщину и характеризовать множественные разрывы, происходящие при интенсивном испарении и нагреве. Данные методы могут применяться для измерения отступающего краевого угла смачивания.

Ключевые слова:

интерференционный метод, шлирен-метод, градиентный фильтр, чёрный кремний, тонкая плёнка жидкости, испарение

Благодарность:

исследование выполнено за счёт гранта Российского научного фонда № 20-19-00722, https://rscf.ru/project/20-19-00722/. Характеризация свойств смачивания поверхности чёрного кремния выполнено за счёт государственного контракта с ИТ СО РАН (121031800213-0) на приборе KRUSS DSA-100E уникальной научной установки «ТГД комплекс ИТ СО РАН» Института теплофизики СО РАН

Коды OCIS: 110.3175, 120.3180, 100.2960, 100.3175, 100.6890, 120.5700, 110.0180, 110.2650, 110.1650, 180.3170

Список источников:
  1. Gomit G., Chatellier L., David L. Free-surface flow measurements by non-intrusive methods: a survey // Experiments in Fluids. 2022. V. 63. № 6. P. 94. https://doi.org/10.1007/s00348-022-03450-5
  2. Douxchamps D., Devriendt D., Capart H., Craeye C., Macq B., Zech Y. Stereoscopic and velocimetric reconstructions of the free surface topography of antidune flows // Experiments in Fluids. 2005. V. 39. P. 535–553. https://doi.org/10.1007/s00348-005-0983-7
  3. Chatellier L., Jarny S., Gibouin F., David L. A parametric PIV/DIC method for the measurement of free surface flows // Experiments in fluids. 2013. V. 54. P. 1–15. https://doi.org/10.1007/s00348-013-1488-4
  4. Ferreira E., Chandler J., Wackrow R., Shiono K. Automated extraction of free surface topography using SfM-MVS photogrammetry // Flow Measurement and Instrumentation. 2017. V. 54. P. 243–249. https://doi.org/10.1016/j.flowmeasinst.2017.02.001
  5. Van Meerkerk M., Poelma C., Westerweel J. Scanning stereo-PLIF method for free surface measurements in large 3D domains // Experiments in Fluids. 2020. V. 61. № 1. P. 19. https://doi.org/10.1007/s00348-019-2846-7
  6. Cobelli P. J., Maurel A., Pagneux V., Petitjeans P. Global measurement of water waves by Fourier transform profilometry // Experiments in fluids. 2009. V. 46. № 6. P. 1037–1047. https://doi.org/10.1007/s00348-009-0611-z
  7. Moisy F., Rabaud M., Salsac K. A synthetic Schlieren method for the measurement of the topography of a liquid interface // Experiments in Fluids. 2009. V. 46. № 6. P. 1021–1036. https://doi.org/10.1007/s00348-008-0608-z
  8. Engelen L., Greelle S., Schindfessel L., De Mulder T. Spatio-temporal image-based parametric water surface reconstruction: a novel methodology based on refraction // Measurement Science and Technology. 2018. V. 29. № 3. P. 035302. https://doi.org/10.1088/1361-6501/aa9eb7
  9. Kiefhaber D., Caulliez G., Zappa C.J., Schaper J., Jahne B. Water wave measurement from stereo images of specular reflections // Measurement Science and Technology. 2015. V. 26. № 11. P. 115401. https://doi.org/10.1088/0957-0233/26/11/115401
  10. Aureli F., Dazzi S., Maranzoni A., Mignosa P. A combined colour-infrared imaging technique for measuring water surface over non-horizontal bottom // Experiments in fluids. 2014. V. 55. P. 1–14. https://doi.org/10.1007/s00348-014-1701-0
  11. Hewitt G.F., Hall-Taylor N.S., Annular two-phase flow. Oxford, New York, Toronto, Sydney, Braunschweig: Elsevier, Pergamon Press, 1970. P. 310. https://doi.org/10.1016/C2009-0-06773-7
  12. Hewitt G.F., Lovegrove P.C., Nicholls B. Film thickness measurement using a fluorescence technique. Part 1. Description of the method // Chemical Engineering Division, Atomic Energy Research Establishment, Harwell, 1964. P. 4478.
  13. Shoji E., Kaneko T., Yonemura T. et al. Measurement of dynamic wetting using phase-shifting imaging ellipsometer: comparison of pure solvent and nanoparticle suspension on film thickness profile, apparent contact angle, and precursor film length // Experiments in Fluids. 2021. V. 62. P. 206. https://doi.org/10.1007/s00348-021-03296-3
  14. Maestro A., Gutfreund P. In situ determination of the structure and composition of Langmuir monolayers at the air/water interface by neutron and X-ray reflectivity and ellipsometry // Advances in Colloid and Interface Science. 2021. V. 293. P. 102434. https://doi.org/10.1016/j.cis.2021.102434
  15. Panchamgam S.S. Chatterjee A., Plawsky J.L., Wayner Jr.P.C. Comprehensive experimental and theoretical study of fluid flow and heat transfer in a microscopic evaporating meniscus in a miniature heat exchanger // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2008. V. 51. № 21–22. P. 5368–5379. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2008.03.023
  16. Hanchak M.S., Vangsness M.D., Byrd L.W. et al. Profile measurements of thin liquid films using reflectometry // Applied Physics Letters. 2013. V. 103. № 21. P. 211607. https://doi.org/10.1063/1.4833855
  17. Settles G.S. Schlieren and shadowgraph techniques: visualizing phenomena in transparent media. Heidelberg: Springer Science & Business Media, Springer Berlin. 2001. XVIII. P. 376. https://doi.org/10.1007/978-3-642-56640-0
  18. Unterberg W. Studies of liquid film flow and evaporation with reference to saline water distillation. Los Angeles: Department of Engineering, University of California, Rept. № 61–26. 1961.
  19. Alekseenko S., Antipin V., Cherdantsev A. et al. Two-wave structure of liquid film and wave interrelation in annular gas-liquid flow with and without entrainment // Physics of Fluids. 2009. V. 21. № 6. P. 061701. https://doi.org/10.1063/1.3151999
  20. Gatapova E.Y., Shonina A.M., Safonov A.I., Sulyaeva V.S., Kabov O.A. Evaporation dynamics of a sessile droplet on glass surfaces with fluoropolymer coatings: focusing on the final stage of thin droplet evaporation // Soft Matter. 2018. V. 14. № 10. P. 1811–1821. https://doi.org/10.1039/C7SM02192E
  21. Truong J.G., Wayner Jr.P.C. Effects of capillary and van der Waals dispersion forces on the equilibrium profile of a wetting liquid: Theory and experiment // The Journal of chemical physics. 1987. V. 87. № 7. P. 4180–4188. https://doi.org/10.1063/1.452922
  22. Пещенюк Ю.А., Семенов А.А., Айвазян Г.Е., Лебедев М.С., Гатапова Е.Я. Рост пузыря в капле летучей жидкости: динамика межфазной границы // Теплофизика и аэромеханика. 2022. Т. 29. № 6. С. 1019–1027. https://doi.org/10.1134/S0869864322060178
  23. Verma G., Yadav G., Saraj C.S., Li L., Miljkovic N., Delville J.P., Li W. A versatile interferometric technique for probing the thermophysical properties of complex fluids // Light: Science & Applications. 2022. V. 11. № 1. P. 115.
  24. Чеканов В.В., Кандаурова Н.В., Чеканов В.С., Романцев В.В. Применение электроуправляемой интерференции для наблюдения автоволнового процесса в приэлектродном слое магнитной жидкости и в электроперестраиваемом цветном фильтре // Оптический журнал. 2019. Т. 86. № 1. С. 21–26. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2019-86-01-21-26
  25. Гуров И.П., Капранова В.О. Оценивание параметров интерференционных полос на основе модифицированного алгоритма адаптивной фильтрации винера // Оптический журнал. 2021. Т. 88. № 2. С. 27–34. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2021-88-02-27-34
  26. Ахмеджанов И.М., Баранов Д.В., Заведеев Е.В., Дешпандэ Руча А., Божевольный С.И. Характеризация плазмонных метаповерхностей с помощью сканирующей интерферометрии белого света // Оптический журнал. 2022. Т. 98. № 7. С. 13–26. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2022-89-07-13-26
  27. Peschenyuk Y.A., Semenov A.A., Ayvazyan G.Y., Gatapova E.Y. The final stage of droplet evaporation on black silicon by schlieren technique with a graded filter // Experiments in Fluids. 2023. V. 64. № 1. P. 1. https://doi.org/10.1007/s00348-022-03541-3