Фотофорез умеренно крупной высоковязкой капли в режиме со скольжением

Цель исследования. Получить аналитические выражения, позволяющие вычислять силу и скорость умеренно крупной высоковязкой капли с учетом прямого вклада коэффициента испарения, линейных поправок по числу Кнудсена и реактивного эффекта, движущейся в поле плоской волны монохроматического излучения.  

Методы. Применялись методы теории возмущения, газокинетические методы, математические методы решения линейных дифференциальных уравнений в частных производных с переменными коэффициентами (система уравнений Стокса, уравнения Лапласа и Пуассона).

Результаты. В квазистационарном приближении проведено теоретическое описание фотофоретического движения умеренно крупной испаряющейся высоковязкой капли сферической формы (отсутствуют циркуляция вещества внутри капли и силы межфазного поверхностного натяжения) в вязкой бинарной газовой смеси. Решалась линеаризованная по скорости система уравнений Навье – Стокса и тепломассопереноса. Получены выражения для полей массовой скорости, давления, температуры и относительной числовой концентрации первого компонента. Сила и скорость фотофореза высоковязкой капли определялась интегрированием тензора напряжений по поверхности частицы. В граничных условиях на поверхности высоковязкой капли учитывались линейные поправки по числу Кнудсена (изотермическое, тепловое и диффузионное скольжение, скачки температуры и концентрации, а также скольжение, возникающее из-за неоднородности температуры вдоль искривленной поверхности частицы), реактивный эффект и вклад прямого влияния коэффициента испарения. Проанализированы вклады в полученные формулы для фотофореза умеренно крупной высоковязкой капли сферической формы и рассмотрены предельные переходы к известным в литературе результатам.

Заключение. Полученные формулы на основе гидродинамического подхода позволяют оценивать влияние прямого вклада коэффициента испарения и линейных поправок по числу Кнудсена на силу и скорость фотофореза умеренно крупной испаряющейся высоковязкой капли в бинарной газовой смеси.

1. Ehrenhaft F. Die Photophorese // Ann. der Physik. 1918. Vol. 361(10). P. 81–132.

2. Cheremisin A. A., Kushnarenko A. V. Photophoretic interaction of aerosol particles and its effect on coagulation in rarefied gas medium // J. of Aerosol Science. 2013. Vol. 62. P. 26–39.

3. Гращенков С. И. Использование метода конечных элементов для расчета скорости фотофореза крупных аэрозольных частиц // Colloid Journal. 2017. Т. 79, № 5. С. 596–604.

4. Фотофорез нагретых крупных аэрозольных частиц сферической формы / Н. В. Малай, А. В. Лиманская, Е. Р. Щукин, А. А. Стукалов // Журнал технической физики. 2012. Т. 82, вып. 10. С. 42–50.

5. Gui-hua Chen, Lin He, Mu-ying Wu, Yong-qing Li. Temporal dependence of photophoretic force optically induced on absorbing airborne particles by a power-modulated // Phys. Rev. Applied. 2018. Vol. 10, no. 5. Р. 054027.

6. Малай Н. В., Щукин Е. Р. Фото- и термофорез нагретых умеренно крупных аэрозольных частиц сферической формы // Журнал технической физики. 2019. Т. 89, № 4. С. 500–506.

7. Photophoretic Levitation of macroscopic nanocardboard plates / J. Cortes, C. Stanczak, M. Azadi, M. Narula, S. M. Nicase, H. Hu [et al.] // Advanced Materials. 2020. Vol. 32 (16). P. 207– 227.

8. Малай Н. В., Щукин Е. Р., Шулиманова З. Л. Фото-термо- и диффузиофорез крупных нелетучих аэрозольных частиц сферической формы в бинарных газовых смесях // Оптика атмосферы и океана. 2020. Т. 33, № 6. С. 476–482.

9. Ambrosio L.A. Photophoresis in the slip-flow and free molecular regimes for arbitrary-index particles // Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer. 2020. Vol. 255. P. 107276.

10. Towards photophoretically levitating macroscopic sensors in the stratosphere / B. Schafer, J. Kim, J. Vlassak, D. Keith // Applied Physics. 2022. P. 1–39. URL: https://arxiv.org/abc/2209.08093

11. Mitri F.G. Optical Magnus effect in the photophoresis of a spinning absorptive dielectric circular // Applied Optics. 2022. Vol. 61, no. 5. P. 1203–1211.

12. Малай Н. В., Щукин Е. Р., Шостак Ю. И. О влиянии теплообмена на фотофорез нагретой крупной аэрозольной частицы // Теплофизика высоких температур. 2022. Т. 60, № 6. С. 866–872.

13. Pahi S. S. A., Punse A. A., Banerjee A. Ultrastable three-dimensional photophoretic trap in air facilitated by a single multimode fiber // ACS Photonics. 2024. Vol. 11, no. 1. P. 159–170.

14. Yalamov Yu. I., Kutukov V. B., Shchukin E. R. Theory of the photophoretic motion of the large-size volatile aerosol particle // Journal of Colloid and Interface Science. 1976. Vol. 57(3). P. 564–571.

15. Яламов Ю. И., Галоян В. С. Динамика капель в неоднородных вязких средах. Ереван: Луйс, 1985. 205 с.

16. Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Гидродинамика. Т. VI. М.: Физматлит, 2003. 736 с.

17. Яламов Ю. И. О влиянии коэффициента испарения на диффузиофорез крупных капель. М.: МОПИ, 1990. Деп. в ВИНИТИ № 4120-Б-90.

18. Юшканов А. А., Савков С. А., Яламов Ю. И. О зависимости коэффициентов скольжения от модели межмолекулярного взаимодействия // Инженерно-физический журнал. 1986. Т. 51, № 4. С. 686–687.

19. Яламов Ю. И., Поддоскин А. Б., Юшканов А. А. О граничных условиях при обтекании неоднородно нагретым газом сферической поверхности малой кривизны // Доклады академии наук СССР. 1980. Т. 237, № 2. С. 1047–1050.

20. Поддоскин А. Б., Юшканов А. А., Яламов Ю. И. Теория термофореза умеренно крупных аэрозольных частиц // Журнал технической физики. 1982. Т. 52, № 11. С. 2253–2262.

21. Борен К., Хафмен Д. Поглощение и рассеяние света малыми частицами. М.: Мир, 1986. 384 с.

22. Береснев С. А., Кочнева Л. Б. Фактор асимметрии поглощения излучения и фотофорез аэрозолей // Оптика атмосферы и океана. 2003. Т. 16, № 2. С. 134–141.

23. Щукин Е. Р., Яламов Ю. И., Шулиманова З. Л. Избранные вопросы физики аэрозолей. М.: МПУ; 1992. 297 с.

24. Measurement of negative thermophoretic force / R. W. Bosworth, A.L. Ventura, A. D. Ketsdeverand, S. F. Gimelshein // J. of Fluid Mechanics. 2016. Vol. 805. P. 207–221.