Введение к работе
Актуальность проблемы. Исследование электрогидродинамических (ЭГД) явлений имеет важное прикладное значение в связи с расширяющимся применением сильных электрических полей в технологических процессах. Среди технических приложений ЭГД следует отметить разработку различных перспективных устройств, используемых при очистке жидкостей и газов, при создании датчиков систем преобразования энергии, контроля, навигации, печатающих машин и т.д. В большинстве подобных устройств используют воздействие электрического поля на течения жидкости. Как правило, такие течения вызываются или сопровождаются различными тепловыми эффектами. Как показывает анализ научной печати, наиболее сложны в интерпретации ЭГД явления, наблюдаемые в неоднородно нагретых слабопроводящих (изолирующих) жидкостях. Такое электроконвективное (ЭК) движение слабопроводящей жидкости обусловлено как воздействием поля силы тяжести, так и воздействием внешнего электрического поля на нескомпенсированный объемный заряд.
В настоящее время достаточно хорошо изучены задачи об устойчивости равновесия неоднородно нагретых слабопроводящих жидкостей во внешнем электрическом поле при различных механизмах электризации жидкости. Установлены механизмы взаимного влияния процессов тепловой и электротермической конвекции для этого случая. Однако проолемы электроконБсктивной неустойчивости движущихся жидкостей и газов исследованы, на наш взгляд, недостаточно и не в полной мере. Это делает актуальным подробное изучение задачи воздействия электрического поля на течение жидких диэлектриков в более полной постановке.
Цель диссертационной работы. Главной задачей является численное и экспериментальное исследование влияния электрического поля на устойчивость плоскопараллельного термогравитационного течения слабопроводящей жидкости в вертикальном слое.
Научная новизна результатов. В рамках линейной теории численно исследована устойчивость конвективного течения жидких диэлектриков в однородном внешнем электрическом поле. Рассмотрено поведение двух основных мод неустойчивости.
В ходе численного анализа установлено, что в достаточно сильных электрических полях неустойчивость носит электротермический характер и не зависит от действия гравитационных сил. Неустойчивость в таких условиях возникает при сравнительно небольших числах Грасгофа.
Обнаружена область параметров, в которой электрическое поле может повышать устойчивость конвективного течения.
Создана экспериментальная установка и разработана методика исследования электротермоконвективной (ЭТК) неустойчивости течения в вертикальном конденсаторе.
Экспериментально исследована неустойчивость течения жидкого диэлектрика в вертикальном конденсаторе при подогреве сбоку.
Научно-практическая ценность работы состоит в том, что
результаты теоретического и экспериментального исследований влияния
электрического поля на устойчивость неизотермических течений
слабопроводящей жидкости и теплоперенос представляют
общетеоретический интерес, поскольку способствуют развитию электрогидродинамики и дополняют теорию гидродинамической устойчивости. Обнаруженные в работе эффекты повышения и понижения устойчивости термогравитационного течения жидкого диэлектрика в электрическом поле могут быть использованы для управления теплообменом в различных технологических устройствах. Разработанный метод исследования электроконвекции, основанный на одновременном измерении теплового потока через ячейку и визуальном наблюдении с помощью полутеневого метода, может использоваться при проведении экспериментов, в которых применение измерительных зондов приводит к появлению в электрическом поле неконтролируемых возмущений в жидкости. Хорошее совпадение результатов, полученных в ходе численного расчета и эксперимента, демонстрирует адекватность выбранной теоретической модели наблюдаемому поведению исследованных жидкостей.
Часть материалов диссертации вошла в программу спецкурса "Гидродинамика невесомости", читаемого на IV курсе физического факультета Пермского государственного университета.
Работа выполнялась в рамках разрабатываемых кафедрой общей физики Пермского университета тем "Конвекция и теплообмен в ламинарном, переходном и турбулентном режимах; влияние осложняющих факторов на конвективную и гидродинамическую устойчивость" (N ГР
7)1860081295) и 'Течение—и—тепломассоперенос—при—ламинарной и_
турбулентной конвекции; проблемы устойчивости равновесия и течений". Исследования являлись также составной частью проекта "Университеты России", международного научно-технического проекта "Конвективные явления и процессы тепломассопереноса в условиях невесомости и микрогравитации", проекта "Гидродинамика поляризующихся жидкостей и гетерогенных систем" Министерства общего и профессионального образования РФ, гранта РФФИ № 98-010-00507 "Теоретическое и экспериментальное исследование конвекции слабопроводящей жидкости в электрическом поле".
Автором представляются к защите:
результаты исследования линейной устойчивости течения жидкого диэлектрика с линейной зависимостью электропроводности от температуры в вертикальном конденсаторе с неодинаково нагретыми границами;
результаты исследования влияния конечности времени релаксации электрического заряда на устойчивость течения жидкого диэлектрика с
линейной зависимостью электропроводности от температуры в вертикальном конденсаторе с неодинаково нагретыми границами;
методика и результаты измерений электрофизических и физико-химических характеристик слабопроводящей жидкости;
результаты экспериментального исследования электроконвективной (ЭК) неустойчивости плоскопараллельного термогравитационного конвективного течения слабопроводящей жидкости в вертикальном слое;
результаты экспериментального наблюдения надкритических ЭК-движсний в плоском вертикальном слое слабопроводящей жидкости;
Апробация работы. Доклады о результатах численных расчетов и экспериментальных исследованиях были прочитаны на второй международной конференции по нелинейной механике (Пекин, Китай, 1993г.), на третьей международной конференции "Современные проблемы электрогидродинамики и электрофизики жидких диэлектриков" (Санкт-Петербург, 1994г.), на двенадцатой зимней школе по механике сплошных сред (Пермь, 1999), на тринадцатой международной конференции по жидким диэлектрикам (Нара, Япония, 1999г.), на Пермском городском гидродинамическом семинаре (1992-2000 гг.).
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 9 печатных работах.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы (74 наименований). Общий объем диссертации 1 j6 страниц, включая 44 рисунка.