Введение к работе
Актуальность проблемы. Объектами исследования являются перенос примеси, неустойчивость и процессы формирования конвективных структур в неоднородных жидких средах: 1) слабопроводящих жидкостях, имеющих заряженную примесь; 2) бинарных молекулярных смесях при наличии эффекта термодиффузии. Эти объекты имеют общие свойства. Перенос примеси: заряженной в слабопроводящей жидкости или одной из компонент бинарной смеси, — ключевым образом влияет на характер конвекции в подобных системах. Во-первых, в отличие от однородных жидкостей конвективная неустойчивость может быть связана с ростом колебательных возмущений: меняется тип бифуркации от равновесия к движению. Во-вторых, характер нелинейной эволюции конвективных структур обусловлен несколькими взаимосвязанными причинами: молекулярным переносом заряда (примеси) под влиянием внешнего электрического (теплового) поля; результирующим изменением внешней силы, действующей на элемент жидкости и конвективным переносом заряда (примеси) во внешнем поле. Под действием этих механизмов в неоднородных средах могут формироваться разнообразные протяженные и локализованные конвективные структуры, поведение которых в настоящее время интенсивно исследуется. Кроме того, явления тепло- и мас-сопереноса в неоднородных по составу жидкостях не только являются важной составляющей общего круга гидродинамических задач, но и часто встречаются в практических приложениях.
В то же время, поведение гидродинамических систем в электрическом поле имеет ряд особенностей, связанных с характером возникновения заряда в жидкости и взаимодействием его с внешним полем. При определённом соотношении между амплитудой и частотой переменного электрического поля возможны резонансные явления, выражающиеся в понижении порога конвекции, усилении интенсивности или изменении характера электроконвективных движений. Знание законов действия электрического поля на конвективные течения актуально и с практической точки зрения, в связи с проблемой эффективного управления конвекцией и массопереносом в различных технологических ситуациях, в частности, в высоковольтных устройствах, электрогидродинамических насосах и немеханических переключателях.
Транспортные явления и конвекция в бинарных смесях при наличии эффекта термодиффузии играют существенную роль в процессе формирования разнообразных структур, в том числе локализованных в пространстве состояний.
Исследования, вошедшие в диссертацию, проводились при поддержке РФФИ (гранты 03-01-00327, 05-01-00789, 07-01-96046) и CRDF (РЕ-009-0).
Цель работы: анализ различных механизмов переноса примеси в неоднородных по составу жидкостях (диэлектриках с заряженной примесью или бинарных смесях), их влияния на формирование и свойства конвективных структур, определение условий образования и характеристик протяженных и локализованных конвективных состояний, а также объяснение процес-
сов столкновения локализованных бегущих волн и локализованных стационарных состояний.
Научная новизна работы заключается в том, что в ней впервые
в модели пороговой инжекции изучено влияние времени инжекции заряда на периодические процессы в электрическом поле плоского конденсатора, заполненного жидким полярным диэлектриком; проанализировано влияние частоты и амплитуды переменного электрического поля на распространение волны заряда;
получены пороги параметрической неустойчивости слабопроводящей жидкости в переменном поле горизонтального конденсатора при наличии автономной инжекции и найдены режимы периодических, квазипериодических и нерегулярных электроконвективных колебаний;
в слабопроводящей жидкости обнаружены бегущие волны с периодически меняющимся направлением движения; проанализировано их пространственно-временное поведение;
обнаружено новое локализованное конвективное состояние бинарной смеси — две последовательных локализованных волны;
проанализирована эволюция полей концентрации и выяснены причины формирования различных конвективных структур бинарной смеси, возникающих в результате столкновения локализованной бегущей волны и области локализованной стационарной конвекции (конвектона).
Автор защищает:
результаты моделирования распространения заряженной примеси в постоянном или переменном поле горизонтального плоского конденсатора для модели пороговой инжекции;
результаты анализа параметрической неустойчивости в переменном электрическом поле при наличии автономной инжекции заряда;
результаты исследования нелинейных режимов электроконвекции слабопроводящей жидкости на основе модели автономной инжекции заряда, бифуркационные диаграммы и анализ пространственно-временных характеристик периодических режимов, квазипериодических бегущих волн, а также хаотических волновых режимов;
вывод о том, что в зависимости от степени нагрева конечным результатом столкновения локализованной бегущей волны и конвектона может быть 1) две связанных локализованных бегущих волны, 2) конвектон с одним фронтом, генерирующим конвективные валы, 3) конвектон, генерирующий два противоположно движущихся фронта.
Научная и практическая ценность работы состоит в том, что
- показано, что в бинарной смеси могут существовать две связанные ло
кализованные бегущие волны; выяснены причины формирования такого со-
стояния и динамика поля концентрации примеси;
обнаруженные нелинейные конвективные волновые режимы и переходы между ними дополняют теорию волновых структур, позволяют более глубоко понять природу возникновения локализованных состояний и хаотических движений в неоднородных по составу жидкостях;
результаты работы могут быть полезны как при планировании новых экспериментальных исследований, так и для решения практических задач об эффективном управлении конвективным движением неоднородных жидкостей в различных технологических ситуациях.
Достоверность результатов. Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием апробированных методов исследования, хорошим согласием с ранее известными результатами в общих областях значений параметров, иллюстрируется наглядным графическим материалом; пороги устойчивости, полученные методом конечных разностей, согласуются с данными линейной теории.
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в печатных работах [1-17]. Из них [3-6, 9-12, 16, 17] — статьи, остальные тезисы. В работах автор участвовал в постановке задач, обсуждениях и интерпретации результатов, проводил численные расчеты и аналитические вычисления.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на межвузовской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Физика для Пермского края» (Пермь, 2008, 2010); конференции молодых учёных "Неравновесные процессы в сплошных средах" (Пермь, 2004, 2005, 2007-2009); International conference "27th dynamics days Europe", Loughborough University, Great Britain, July 9-15, 2007, IX международной конференции "Современные проблемы электрофизики и электродинамики жидкостей" (С. Петербург, 2009); Зимней школе по механике сплошных сред (Пермь, 2007; 2009); Пермском гидродинамическом семинаре (Пермь, 2010).
