Введение к работе
Актуальность темы. Проблемы электрогидродинамики микро– и наномасштабов, связанные с заряженными менисками и струями по-прежнему привлекают внимание исследователей из-за широкой области их применения, в основном, в нано – и биотехнологиях.
Несмотря на обилие экспериментальных и теоретических исследований по данной тематике, возникают новые задачи, в которых главную роль играют особенности диэлектрической среды. В этих задачах при изучении физических механизмов динамики менисков, капель и струй во внешнем электрическом поле необходимым становится учет поверхностной проводимости, вязкости, поверхностного натяжения и величины времени релаксации зарядов для данной жидкости.
Выполненная автором работа по проблеме неустойчивости и диспергирования заряженных менисков и струй, является составной частью исследований, проводимых по данной тематике передовыми научными школами: Ярославский государственный университет им. П.Г. Демидова (проф. Григорьев А.И., проф. Ширяева С.О., проф. Белоножко Д.Ф.) [1], Санкт-Петербургский государственный политехнический университет (проф. Нагорный В.С.) [2], Новосибирский государственный технический университет (проф. Коробейников С.М.) [3-4], УрО РАН Институт электрофизики (проф. Зубарев Н.М.) [5], Московский энергетический институт (проф. В. В. Аметистов, проф. А. С.Дмитриев) [6].
Цель диссертационного исследования
Целью диссертационного исследования являлось теоретическое исследование микроскопического распределения ионов вблизи свободной поверхности, расчет ЭГД устойчивости заряженных струй при произвольной скорости релаксации зарядов и экспериментальное изучение динамики поведения заряженных менисков и струй жидкостей с различным временем релаксации зарядов при различных режимах истечения в высоковольтном электрическом поле.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
1. Исследовать ионную структуру поверхности на основе современных представлений о динамике ионов и межмолекулярных взаимодействий.
2. Исследовать с помощью скоростной видеокамеры быстропротекающие процессы распада заряженных струй и электродиспергирования менисков.
3. Исследовать влияние электрического поля на формы распадающихся менисков и струй.
Научная новизна:
1. Предложена новая оценка для толщины приповерхностного жидкого слоя, в котором сосредоточены ионы, определяемая величиной радиуса Дебая.
2. Обнаружены новые экспериментальные подтверждения влияния полярности заряженных жидких менисков на динамику их поведения, свидетельствующие о значимости роли процессов ионизации на границе жидкость-газ.
3. Впервые экспериментально зафиксированы микроконусы широкого класса жидкостей, пульсирующие вблизи вершин выступающих с мениска конусов Тейлора. Исследованы закономерности поведения этих образований в зависимости от физических свойств жидкости.
4. Продемонстрированы новые экспериментальные свидетельства сложного биполярного распределения зарядов вблизи кончика струи или мениска, где формируются заряженные капли.
5. Впервые опытно подтверждены теоретические выводы о влиянии тангенциальной составляющей электрического поля на характер истечения диэлектрических жидкостей, формообразование, возникновение вихревых движений на поверхности мениска, а также экспериментально и теоретически доказано, что в закритической области критические длины волн осесимметричных возмущений уменьшаются с ростом поля.
6. Экспериментально построена карта режимов истечения капель и струй диэлектрических жидкостей в зависимости от давления и прикладываемого электрического напряжения, впервые учитывающая новые режимы истечения и доказывающая, что каждый режим возникает при условии равенства энергии заряженной капли и энергии ее движения.
Практическая значимость работы: Практическое значение работы состоит в том, что полученные результаты необходимы при разработке аппаратов для распыления биотоплива, прецизионных приборов для масс-спектрометрии органических и термически нестабильных жидкостей, и устройств для получения нанокапилляров и нанотрубок.
На защиту выносятся:
1. Результаты теоретических исследований ионной структуры свободной поверхности и ЭГД устойчивости токовых струй при конечной скорости релаксации зарядов.
2. Результаты экспериментальных исследований неустойчивости заряженных менисков и струй жидкости.
3. Результаты исследования пульсаций микроконусов на вершинах конусов Тейлора в зависимости от электрофизических свойств жидкостей.
Публикации. Основные результаты, представленные в диссертации, опубликованы в 10 научных работах, из них 5 - в рецензируемых научных журналах и изданиях.
Личный вклад автора. Автором работы получены основные результаты, разработаны технические средства, усовершенствованы экспериментальные установки, разработана методика проведения эксперимента и обработки экспериментальных данных и выполнен весь объем экспериментальных исследований.
Апробация работы.
Основные результаты работы представлены на следующих научно-практических конференциях: «Техника и технологии: пути инновационного развития» (г. Курск 2011 г.); «Перспективное развитие науки, техники и технологий» (г. Курск 2011 г.); «Современные инструментальные системы, информационные технологии и инновации» (г. Курск 2012 г.); «Современные инновации в науке и технике» (г. Курск 2012 г.); «Современные проблемы электрофизики и электрогидродинамики жидкостей» (г. Санкт-Петербург 2012 г.)
Соответствие диссертации паспорту научной специальности. В соответствии с областью исследования специальности 01.04.07 «Физика конденсированного состояния» диссертация включает в себя теоретическое и экспериментальное изучение неустойчивости и диспергирования заряженных менисков и струй. Полученные научные результаты соответствуют пунктам 2 и 7 паспорта специальности в части касающейся теоретического и экспериментального изучения неустойчивости и диспергирования заряженных менисков и струй жидкостей в зависимости от их физико-химических характеристик, технического и технологического приложения физики конденсированного состояния.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на 126 страницах машинописного текста, состоит из введения, пяти глав, приложения, заключения и выводов, включает список цитируемой литературы из 138 наименований; содержит 68 рисунков и 7 таблиц.
