Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 5
1. УСТОЙЧИВОСТЬ РАВНОВЕСИЯ ТЕЛ
В ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ 21
-
Общие положения 21
-
Способы обеспечения устойчивости равновесия
тела в вакууме 27
-
Управление потенциалами электродов 28
-
Динамическая устойчивость 31
1.3. Устойчивость равновесия тела,
погруженного в жидкость 36
2. УСТОЙЧИВОСТЬ РАВНОВЕСИЯ ПОГРУЖЕННОГО
В ДИЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ ЖИДКОСТЬ ШАРА В
ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОМ ПОЛЕ 42
-
Общие замечания 42
-
Исследование устойчивости в безиндукционном приближении 44
-
Однородный шар 48
-
Шар, покрытый сферической оболочкой 57
-
Заряженный шар 63
2.3. Исследование устойчивости в индукционном
приближении 67
-
Однородный шар в заполненной жидкостью сферической полости 68
-
Исследование жесткости сферического электростатического подвеса в жидкости 77
2.4. Равновесие шара при действии массовых сил 84
-
Критическая разность потенциалов 84
-
Равновесие шара при действии силы тяжести 96
3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ
РАВНОВЕСИЯ ПОГРУЖЕННЫХ В ДИЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ
ЖИДКОСТЬ ТЕЛ В ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ 105
-
Общие замечания 105
-
Экспериментальная установка 110
-
Равновесие воздушных пузырей в поле плоского конденсатора с коаксиальными отверстиями и в
поле кольцевых электродов 113
-
Равновесие покрытого диэлектрической оболочкой проводящего шара 125
-
Равновесие диэлектрического шара
в сферической полости 129
4. ИССЛЕДОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТНОГО ТЕЧЕНИЯ
ЖИДКОСТИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ 134
4.1. Экспериментальные результаты 135
4.1.1. Лазерный доплеровский измеритель
скорости (ЛДИС) 136
4.1.2. Описание установки и методика
измерений, результаты 142
-
О граничных условиях для напряженности электрического поля на поверхности раздела слабопроводящих диэлектрических сред 150
-
Поверхностное течение вблизи воздушного
пузыря в бесконечном цилиндре 155
5. РАВНОВЕСИЕ ПОГРУЖЕННОГО В
СЛАБОПРОВОДЯЩУЮ ЖИДКОСТЬ ТЕЛА В
ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ 165
5.1.0 пондеромоторных силах, действующих в
электрическом поле на тело, погруженное
в слабопроводящую жидкость 166
5.2. Устойчивость равновесия шара в переменном
электрическом поле 172
-
Теория 172
-
Экспериментальные результаты 185
5.3. Равновесие шара при наличии поверхностной
проводимости в постоянном электрическом поле 188
5.3.1. Экспериментальное исследование равновесия
воздушных пузырей в постоянном
электрическом поле 188
5.3.2. Результаты теории 192
6. НЕКОТОРЫЕ ЗАДАЧИ ПАРАМЕТРИЧЕСКОЙ
НЕУСТОЙЧИВОСТИ И ЭЛЕКТРОГИДРОДИНАМИКИ 197
-
Общие замечания 197
-
Параметрическая неустойчивость неравномерно нагретого горизонтального слоя жидкого
диэлектрика в переменном электрическом поле 200
-
Экспериментальное исследование параметрической неустойчивости погруженного в воду шара, подвешенного на струне с переменным натяжением 206
-
Экспериментальное исследование электротермической конвекции (ЭТК) методом голографической интерферометрии 212
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 218
ЛИТЕРАТУРА 222
ПРИЛОЖЕНИЕ. Электрический уровень 233
Введение к работе
Актуальность проблемы. В настоящее время поведение твёрдых, жидких и газообразных включений в елабопроводящих жидкостях при воздействии внешних объёмных и поверхностных электрических сил вызывает пристальный интерес исследователей в связи разработкой и внедрением новых перспективных технических устройств и технологий, основанных на использовании электрических полей. В гетерогенных системах такого рода могут возникать необычные устойчивые равновесные состояния или спонтанно возникающие течения. Это делает актуальной задачу экспериментального изучения подобных процессов и разработки их математической модели. Результаты исследований механического равновесия и устойчивости гетеро-іенньїх систем в электрическом поле находят разнообразные технические и технологические приложения. В первую очередь, это разработка датчиков систем навигации и ориентации, в том числе для измерения полей массовых сил, разработка топливных фильтров высокой очистки, разработка новых усіройств управления потоками жидкости, в частности, в устройствах струйной печати, и т.д. Технологические приложения связаны с вопросами сепарации и очистки жидкостей, управления их реологическими характеристиками при различных процессах в химической и нефтяной промышленности, микробиологии. Кроме того, результаты этих исследований могут быть востребованы при разработке новых методов измерения электрофизических параметров вещества и постановке новых физических экспериментов. Конструкторская проработка при создании новых устройств, а также нужды производства при разработке новых технологий требуют решения широкого спектра задач по данной тематике, которые способствовали бы формированию интуиции при оценке влияния различных факторов на поведение гетерогенных сисгем в электрическом поле.
Проблема механического равновесия и устойчивости гетерогенных систем в электрическом поле непосредственно связана с вопросами устойчивости равновесия тел в электростатическом поле и имеет важное общетеоретическое значение в связи с возможной интерпретацией теоремы Ирншоу. Это обусловлено тем, что в эксперименте и на практике, как правило, рассматривается равновесие не системы точечных зарядов, а тел, находящихся в среде. Поэтому без предварительного исследования нельзя дать однозначный ответ о неустойчивости равновесия заряженного тела в электростатическом поле. Имеется ряд работ, в которых экспериментально и теоретически изучаются данные вопросы. Однако строгое всестороннее аналитическое исследование устойчивости до сих пор не проводилось.
Существенное влияние на равновесие и устойчивость гетерогенных систем могут оказывать электрогидродинамические процессы на межфазных границах, обусловленные поверхностной проводимостью. При этом возникающие поверхностные течения «искажают» электрическое поле и изменяют механизм пондеромоторных сил, действующих на погруженное в жидкость тело. Воздействие различных факторов, вопросы устойчивости таких течений к настоящему времени еще недостаточно изучены.
Цель работы -уточнить и расширить основные положения, лежащие в основе теории гидродинамической устойчивости макрогетерогенных структур в электрических полях; дать на физическом уровне строгости аналитическое описание явлений устойчивого равновесия тел в электрическом поле и поверхностных течений, обусловленных электрогидродинамическими процессами на межфазных границах; выполнить эксперименты, соответствующие поставленным целям.
Научнан новизна работы состоит в развитии и уточнении положений механики и электродинамики макрогетерогенных сред в приложении к конкретным физическим процессам. В диссертации впервые: корректно сформулированы условия применимости теоремы Ирншоу для гетерогенных сред; определено понятие электростатичности для переменных электрических полей и предложена формула в терминах физически измеряемых величин для оценки частоты квазиэлектростатического поля; на физическом уровне строгости в нелинейном приближении проведено аналитическое исследование устойчивости равновесия погруженных в жидкость тел в электрическом поле.
На основе предложенных физических и математических моделей макрогетерогенных систем экспериментально и теоретически решено много новых оригинальных задач. При этом впервые: аналитически для безиндукционного приближения получены общие выражения (в виде разложения по сферическим функциям) для электрических сил, действующих на шар, погруженный в жидкий диэлектрик в центрально-симметричном электростатическом поле, при его смещении из положения равновесия. Исследовано равновесие заряженного шара и шара, покрытого сферической оболочкой. Из полученных выражений для сил определены условия устойчивости равновесия для дипольного приближения. Показана возможность устойчивого равновесия проводящего шара, покрытого диэлектрической оболочкой, и заряженного шара; аналитически в индукционном приближении проведено общее исследование устойчивости равновесия диэлектрического шара в заполненной жидким диэлектриком сферической полости, на поверхности которой задано произвольное распределение потенциала, обеспечивающее создание централь но-сим метрично го электростатического поля внутри полости. В нелинейном приближении получены общие (в виде разложения по сферическим функциям) выражения для электрических сил, действующих на шар при его возможном смещении из положения равновесия. Установлено, что вследствие действия силы изображения устойчивое равновесие возможно, если радиус шара меньше некоторого определенного критического значения. Для конкретной геометрии электродов и, соответственно, распределения потенциала на поверхности полости, исследована зависимость жесткости электростатического подвеса от размера электродов, радиуса шара, относительной диэлектрической проницаемости жидкости и определены области устойчиво-і о равновесия в пространстве этих параметров. Установлены значения геометрических параметров электродов, обеспечивающих изотропный электростатический подвес шара; аналитически рассмотрены условия равновесия макрогетерогенных сред в электрическом поле при действии внешних массовых сил. Показано, что в этом случае устойчивое равновесие возможно, если напряжение на электродах больше некоторого критического значения. Определены зависимости критического напряжения от физических параметров при действии силы тяжести для большого ряда задач; экспериментально исследована устойчивость равновесия погруженных в диэлектрическую жидкость однородных шаров, воздушных пузырей и покрытых диэлектрической оболочкой металлических шаров в электростатическом поле электродов разной геометрии. Получено хорошее совпадение результатов теории и эксперимента; экспериментально с помощью лазерного доплеровского измерителя скорости исследовано поверхностное течение слабопроводящей жидкости в плоском наклонном конденсаторе. Обнаружено и аналитически на модельной задаче доказано, что с ростом напряжённости поля скорость поверхностного течения, достигая максимума при некотором значении поля, при дальнейшем его росте начинает уменьшаться. Показано, что поверхностное течение существенно влияет на распределение свободного поверхностного заряда; - аналитически в безиндукционном приближении для нескольких моде лей действия пондеромоторных сил определены условия устойчивого равно весия однородного шара, погруженного в слабопроводящую жидкость, в цен- ірально-симметричном переменном электрическом поле в условиях протекания тока проводимости; - экспериментально исследовано равновесие воздушных пузырей в слабопроводящей жидкости в постоянном электрическом поле. Обнаружен асимптотический рост критического напряжения с уменьшением радиуса пу зырей. Аналитически в безиндукционном приближении рассмотрено равно весие шара, погруженного в слабопроводящую жидкость, в постоянном элек трическом поле в условиях протекания поверхностного тока вдоль межфаз- нои границы и при действии силы тяжести. Из решения задачи определена зависимость критического напряжения от радиуса шара. Показано, что асим- піоіический рост критического напряжения обусловлен усилением влияния поверхностной проводимости при уменьшении размеров тела; теоретически изучена параметрическая неустойчивость неравномерно нагретого горизонтального слоя жидкого диэлектрика со свободными границами в поперечном переменном электрическом поле. Получены линейные уравнения для малых возмущений нестационарного равновесия, из которых для нормальных возмущений определены нейтральные кривые равновесия для разной частоты поля в координатах электрическое число Рэлея - число Рлтея. Показано, что при использовании переменных электрических полей, необходимых для реализации электростатического подвеса в жидкости, можно исключить возмущающее действие электротермической конвекции, обусловленной параметрической неустойчивостью; экспериментально исследована параметрическая неустойчивость погруженного в воду шара, подвешенного на струне с переменным натяжением. Получены исходные данные для анализа возможной параметрической неус- тойчивости электростатического подвеса шара в жидкости при использовании переменных полей; - экспериментально с использованием метода голографической интерферометрии исследована электротермическая конвекция в горизонтальном слое слабопроводящей жидкости в постоянном электрическом поле. Обнаружено, что при подогреве сверху возникновение движения в жидкости с ростом напряжения на электродах имеет кризисный характер.
Краткое содержание диссертации.
В первой главе «Устойчивость равновесия тел в электрическом поле» обсуждается общая постановка проблемы устойчивости равновесия макроге-іерогенньїх систем в электрическом поле, и дается подробный анализ имеющейся научной, патентной, технической, учебной литературы по данной проблеме.
В и. 1.1 анализируются различные формулировки теоремы Ирншоу, встречающиеся в научной, технической и учебной литературе. Рассматривается вопрос об устойчивости гетерогенных систем в электрическом поле и, в частности, показано, что в определенных случаях в таких системах потенциал не удовлетворяет уравнению Лапласа и, следовательно, нельзя исключать, что при некоторых условиях может принимать минимальное значение не только на границе, но и внутри области. Поэтому для областей, заполненных неоднородным диэлектриком, без предварительного исследования, основываясь только на теореме Ирншоу, нельзя делать однозначное заключение о неустойчивости равновесия заряженного тела в электростатическом поле.
В п. 1.2 рассматриваются способы обеспечения устойчивости равновесия тела в электрическом поле в вакууме, приводится краткий обзор многочисленной научной и технической литературы по данному вопросу. Отмечено, что при всем многообразии конкретных технических решений можно выделить два наиболее важных способа обеспечения устойчивости равновесия тела в электрическом поле в вакууме - на основе управления потенциалами электродов и на основе явления динамической устойчивости в переменном электрическом поле.
В п. 1.2.1 приводится описание принципа управления потенциалами электродов.
В п. 1.2.2 на модельной задаче рассматривается принцип реализации динамической устойчивости квазиравновесия тела в электрическом поле. Отмечено, что при создании такого подвеса основной технической проблемой является задача поддержания постоянного во времени заряда подвешиваемого тела.
В п. 1.3 приводится обзор научной литературы, посвященной экспериментальному и теоретическому исследованию равновесия и устойчивости погруженных в жидкость тел в электрическом поле (passive dielectrophoretic levitation). Отмечено, что в большинстве работ, в основном, представлены оценки и экспериментальные результаты изучения возможных технологических приложений данного явления, а общее всестороннее теоретическое исследование устойчивости не проводится. При этом указано, что значительно расширяется комплекс взаимосвязанных вопросов при рассмотрении равновесия погруженного в слабопроводящую жидкость тела в электрическом поле в условиях протекания тока. Один из основных вопросов, который при этом возникает, это вопрос о механизме электрической силы, действующей на тело.
Во второй главе «Устойчивость равновесия погруженного в диэлектрическую жидкость тела в электростатическом поле» в безиндукционном и индукционном приближении методом разложения силы в ряд по малому смещению из равновесного положения исследуются условия устойчивого равновесия шара, погруженного в диэлектрическую жидкость в электростатическом поле, в том числе при действии массовых сил.
В п.2.1 приведена общая постановка задачи, проводится классификация задач на электростатические и неэлектростатические по исследованию устойчивости, соответственно, в диэлектрических и слабопроводящих жидкостях. Обсуждается вопрос об учете влияния сил изображения и соответственно связанного с этим вопросом двух приближений: безиндукционного и индукционного.
П.2.2 посвящен аналитическому исследованию устойчивости равновесия в безиндукционном приближении. Указано на отсутствие необходимости определения положений равновесия тел простой формы (шар, цилиндр, куб и т.д.) в некоторых точках центрально-симметричных полей вследствие симметрии. Рассматриваются варианты геометрий электродов, обеспечивающих создание таких полей. Дается обоснование применения метода сращиваемых асимптотических разложений для решения задач в безиндукционном приближении.
В п.2.2Л исследуется устойчивость равновесия однородного диэлектрического шара в центрально-симметричном поле. Определяется сила, действующая на шар при его смещении из положения равновесия вдоль и перпендикулярно оси симметрии поля. Решение ищется до третьего приближения по малому смещению шара из положения равновесия. На основе полученных общих выражений для сил проведён анализ устойчивости гетерогенной системы в безиндукционном приближении для полей, создаваемых различными геометриями электродов. В частности доказано, что для устойчивого равновесия тел в электростатических полях необходимо, чтобы диэлектрическая проницаемость тела была меньше диэлектрической проницаемости жидкости. Отмечена корректность и общность применённой методики аналитического исследования данного класса задач.
В п.2.2.2 на основе использованного в п.2.2.1 метода исследуется устойчивость равновесия покрытого сферической оболочкой шара в центрально-симметричном поле. Получено общее выражение для электрической силы, действующей на шар при его малом смещении, из которого определены условия устойчивости. Основным результатом является вывод о возможности устойчивого равновесия покрытого диэлектрической оболочкой проводящего шара в электростатическом поле.
В п.2.2.3 исследуется устойчивость равновесия равномерно заряженного по объему диэлектрического шара. Показано, что шар будет находиться в устойчивом равновесии, если его заряд меньше некоторого значения, зависящего от диэлектрических проницаемостей жидкости и шара, радиуса шара, напряжения на электродах и их геометрии. Данная задача имеет определенное теоретическое значение в связи с встречающимися в учебной и научной литературе различными формулировками теоремы Ирншоу.
В п.2.3 исследуется устойчивость равновесия однородного шара в индукционном приближении. На основе полученных выражений для электрических сил определены области устойчивости в различных координатах для конкретной геометрии электродов.
В п.2.3.1 решается общая задача устойчивости равновесия однородного шара в заполненной жидкостью сферической полости, на поверхности которой задано произвольное распределение потенциала, обеспечивающее создание центрально-симметричного поля внутри полости. Основным результатом данного раздела являются полученные общие выражения для электрических сил в разложении до 3-го приближения по смещению шара. Показано, что из-за действия сил изображения устойчивое равновесие возможно только, если радиус шара меньше некоторого критического значения.
В п.2.3.2 на основе полученных в п.2.3.1 результатов исследуется жесткость подвеса для конкретного распределения потенциала на поверхности сферической полости.
П. 2.4 посвящен анализу условий устойчивого равновесия тела при действии внешних массовых сил. Данный вопрос связан с различными прак- тическими приложениями и, в том числе, с возможностью экспериментальной проверки результатов второй главы.
В п.2.4.1 показано, что при действии массовых сил устойчивое равновесие возможно, если напряжение на электродах больше некоторого критического значения.
В п.2.4.2 получены выражения для критического напряжения при действии силы тяжести для ряда задач, рассмотренных во второй главе, и для некоторых конкретных геометрий электродов (распределения потенциала).
