Течения Марангони возникают в жидкостях и газах вследствие градиентов поверхностного натяжения. Эти градиенты, в свою очередь, могут быть вызваны изменениями температуры или концентрации растворенных веществ у свободной поверхности жидкости.
Поверхностное натяжение σ — сила, действующая по поверхности жидкости, которая стремится минимизировать площадь поверхности. Оно зависит от температуры и концентрации, и этот зависимый параметр становится причиной движения жидкости вдоль поверхности.
При неоднородном распределении температуры или концентрации на свободной поверхности возникает неравномерное распределение поверхностного натяжения:
В областях с более высокой температурой поверхностное натяжение уменьшается.
В областях с более низкой температурой поверхностное натяжение выше.
Это создает силовые поля на поверхности, заставляющие жидкость двигаться от областей с меньшим поверхностным натяжением к областям с большим. Такое движение жидкости называется течением Марангони.
Границам жидкости у свободной поверхности сопутствует условие баланса сил:
τ⃗ = ∇sσ
где τ⃗ — касательное напряжение на поверхности, ∇s — поверхностный градиент, σ — поверхностное натяжение.
Для течений, вызванных температурными градиентами:
$$ \nabla_s \sigma = \frac{d \sigma}{d T} \nabla_s T $$
где $\frac{d \sigma}{d T} < 0$ для большинства жидкостей, что означает уменьшение поверхностного натяжения с ростом температуры.
Термические течения Марангони — вызваны температурными градиентами.
Химические течения Марангони — вызваны градиентами концентраций растворенных веществ или примесей.
В природе такие течения влияют на распределение примесей и структуру жидкостей в поверхностных слоях.
В технологии используются при сварке, в микро- и наносистемах для управления потоками жидкостей.
В микрогравитационных условиях течения Марангони играют ключевую роль, так как гравитационные силы ослаблены, и поверхностные эффекты доминируют.
Течения Марангони могут вызывать и усиливать конвективные потоки, комбинируясь с обычной тепловой конвекцией. В ряде случаев они могут стать доминирующим механизмом переноса тепла и массы.
Используются методы визуализации потоков с помощью микроскопии и оптических методов.
Измеряются скорости поверхностных течений и градиенты температур.
Применяются численные модели для прогнозирования и оптимизации процессов, где течения Марангони значимы.
В процессах кипения и конденсации присутствуют значительные температурные и концентрационные градиенты у свободной поверхности жидкости и пара. Эти градиенты могут индуцировать течения Марангони, которые влияют на распределение температуры и скорость теплообмена.
При кипении поток пара и жидкости у поверхности может создавать неоднородности температур, вызывая поверхности напряжения и, как следствие, поверхностные течения.
В конденсационных процессах пленка конденсата и капельные формы влияют на развитие градиентов, которые также могут приводить к течениям Марангони.
Учет этих эффектов важен для точного моделирования тепломассопереноса в системах с фазовыми переходами.