Электрогидродинамические автоколебательные процессы на концентраторах тока в электролите Медведев, Руслан Николаевич

Введение к работе

Актуальность темы. Электрические разряды и плазменные образования в проводящих средах на сегодняшний день имеют широкое применение в науке и промышленности для обработки поверхностей, получения наночастиц, обеззараживания жидкости, инициирования хим. реакций, генерации акустических волн и т.д.

Одним из режимов низковольтных (до 1кВ) разрядов в проводящих жидкостях является автоколебательный режим. Он характеризуется импульсным током при постоянном приложенном напряжении, что обеспечивается образованием и пульсацией пузырьков на концентраторах тока.

Период автоколебаний и область их существования - одни из самых важных параметров, которые играют первостепенную роль для конструирования прикладных установок. На сегодняшний день не существует даже приближенных теоретических формул, описывающих зависимости периодов автоколебаний от параметров, таких как размер концентратора тока, прикладываемое напряжение, свойства электролита и т.д. Эмпирически полученные зависимости учитывают изменение только одного параметра, например, напряжения, температуры или размера концентратора и при варьировании остальных могут существенно меняться.

В связи с этим существует необходимость комплексных исследований (экспериментальных и теоретических) электрогидродинамического автоколебательного процесса с привлечением законов электродинамики, гидродинамики и теплофизики для нахождения зависимости периода автоколебаний от параметров системы.

Обнаруженный нами эффект самосинхронизации автоколебаний на множественных концентраторах тока [4] позволяет синхронизировать пульсации пузырьков при параллельном включении в цепь большого числа (N-10^10 ) концентраторов тока, что является важным результатом для задач генерации акустических волн заданного профиля и частоты. Данный эффект позволяет эффективно генерировать плазму в пузырьках саморегулирующимся образом в заданных областях пространства, это позволяет локализовать процессы плазменной обработки и инициирования хим. реакций.

Значительное количество работ показывает прикладную ценность низковольтных разрядов в электролитах на концентраторах тока в целом, и в автоколебательных режимах, в частности [1*]. В связи с этим необходимо комплексно исследовать автоколебательные процессы в электролите с привлечением теоретических аппаратов.

Цель работы.

1. Исследовать физику происходящих автоколебательных процессов. Найти область существования автоколебательных режимов и зависимость периода автоколебаний от размеров концентраторов и прикладываемого напряжения.

1. Построить математическую модель автоколебательного процесса на одиночном диафрагменном концентраторе тока.

2. Выявить механизм синхронизации автоколебаний на множественных концентраторах тока.

3. Проверить наличие автоколебательных режимов для протяженных концентраторов тока.

Научная новизна работы.

3. 1. Найдена приближенная аналитическая зависимость периода автоколебания на диафрагменном круглом концентраторе тока от напряжения, проводимости, размера концентратора тока, которая согласуется с результатами поставленных экспериментов.

   2. Полученная экспериментально и теоретически зависимость периода автоколебаний от напряжения имеет минимум. Минимальный период пропорционален размеру концентратора тока.

   3. Выявлен механизм синхронизации автоколебаний на множественных концентраторах тока.

   4. Обнаружено существование автоколебательного режима при электрическом низковольтном разряде на линейных и кольцевых концентраторах тока.

   Практическая ценность работы. Результаты выполненной работы являются важными, так как на основе полученных закономерностей и обнаруженных эффектов самосинхронизации автоколебаний на множественных концентраторах тока позволяют рассчитывать параметры генераторов акустических волн заданной частоты и профиля.

   На основе полученных результатов были разработаны и опробованы опытные установки по обеззараживанию жидкости электрическим разрядом в автоколебательном режиме, эмиссионному спектральному анализу проводящей жидкости, инициированию горючих газов в импульсном режиме непосредственно в жидком теплоносителе.

   Основные положения, выносимые на защиту:

   3. 4. 1. Результаты экспериментального и теоретического изучения динамики образования, роста и схлопывания пузырька на одиночном круглом концентраторе тока.

         2. Результаты экспериментального исследования автоколебаний на множественных концентраторах тока.

         3. Экспериментальное обнаружение автоколебательных режимов на линейных и кольцевых концентраторах тока.

         Апробация основных результатов. Результаты научных исследований были представлены на следующих российских и международных конференциях: Современные проблемы электрофизики и электрогидродинамики жидкостей (Санкт-Петербург, 2006г.), Pulsed Power Symposium (UK, Oxfordshire, 2007г.), Всероссийская Научная Конференция Студентов-Физиков (Ростов-на-Дону, 2007г.), Лаврентьевские чтения (Новосибирск, 2007г., 2010г.), Физика импульсных pазpядов в конденсированных средах (Украина, Николаев, 2007г., 2011г.), Физика окружающей среды (Томск, 2007г.), I^st international conference on biological and environmental sciences (Egypt, Hurghada, 2008г.), Fourth International Symposium on Non-equilibrium processes, Plasma, Combustion, and Atmospheric Phenomena (Сочи, 2009г.).

         По тематике данной работы сделаны доклады на семинарах: в Институте теплофизики (председатель чл.-корр. РАН Алексеенко С.В.), Институте гидродинамики (председатель академик Титов В.М.), Институте теоретической и прикладной механики (председатель академик Фомин В.М.), Институте гидродинамики СО РАН (председатель чл.-корр. Пухначев В.В.).

         Публикации. Всего опубликовано 18 печатных работ, в том числе 15 по теме диссертации, из них: 6 научных статей в ведущих изданиях, входящих в перечень, рекомендуемый ВАК РФ, 9 докладов в трудах всероссийских и зарубежных научных конференций.

         Личный вклад автора. Автором лично были проведены эксперименты с круглыми и кольцевыми диафрагменными концентраторами тока, проведен анализ полученных экспериментальных результатов. Экспериментальные данные по автоколебаниям на металлических концентраторах тока принадлежат Тесленко В.С., Дрожжину А.П., Зайковскому А.В.

         Постановка задачи расчета теплового роста тороидального пузырька на диафрагме была выполнена совместно с Черновым А.А. (ИТФ СО РАН), численный расчет удельной мощности при протекании тока через диафрагму - совместно с Карповым Д.И. (ИГиЛ СО РАН). Остальные расчеты и сравнение результатов с экспериментальными данными автором выполнены самостоятельно.

         При апробации метода обеззараживания жидкости анализ концентрации живых клеток в растворе был выполнен с помощью Белякина С.Н. (ИЦиГ СО РАН). Автор принимал участие в экспериментах по инициированию горючей смеси в жидкости и провел анализ зависимости интенсивности свечения от подключаемой индуктивности в экспериментах по спектральным исследованиям автоколебательного процесса.

         Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Диссертация изложена на 128 страницах основного текста, включая 57 рисунков, 1 таблицу, 79 формул и список литературы из 97 источников.

         Похожие диссертации на Электрогидродинамические автоколебательные процессы на концентраторах тока в электролите

         Электрические разряды постоянного тока в движущихся пузырьках воздуха в электролите с образованием плазменной струи вне диэлектрической трубкиСамитова, Гульнара Торекульевна

         

         Релаксационные процессы и электроупругие свойства растворов электролитовОджимамадов Имомназар Тавакалович

         

         Низкотемпературные релаксационные процессы и проводимость в твердых полимерных электролитахБурмистров Святослав Евгеньевич

         Спектрально-временные характеристики оптических процессов в области контакта полупроводник-электролит кристаллов CdS при низких температурахГригорьев, Сергей Романович

         Физические процессы на границе раздела полупроводник-электролит при преобразовании солнечной энергииПаносян, Жозеф Ретевосович

         

         Теория межфазных процессов в допассивной области в системе металлактивирующий электролитСаумитра Саха

         

         Процессы переноса и захвата заряда в системе электролит-нитрид кремния-окисел-кремнийНабок, Алексей Васильевич

         

         Тепловые эффекты ионов в растворах электролитов и их макроскопическое поведение в необратимых диссипативных процессах в приближении плазменно-гидродинамической модели Балданова Дарима Мункоевна

         Коррозионные процессы на литии в электролитах химических источников токаКурбатов, Андрей Петрович

         

         Физико-химическое обоснование и разработка процессов растворения металлизированных никель-кобальтсодержащих материалов в сернокислых электролитах под действием переменного электрического токаКузнецова Ольга Геннадьевна