Введение к работе
Актуальность темы. Исследование устойчивости заряженных капель по отношению к собственному заряду представляет значительный интерес в связи с многочисленными геофизическими, техническими и технологическими приложениями, в которых фигурирует подобный объект. Большинство технических приложений электродиспергирования жидкости имеет дело с неустойчивостью плоской или цилиндрической заряженной поверхности, но эмиттированные при неустойчивости капли могут сами иметь заряд запредельный по Рэлею, что, в свою очередь, вызовет распад данной капли либо по Рэлеевскому механизму на большое число (~ 100) гораздо более мелких дочерних капель, либо путем деления на несколько крупных капель сравнимых размеров. Очевидно, что наличие или отсутствие вторичных распадов может существенно сказаться на параметрах получаемого аэрозоля, нарушая его монодисперсность. Рэлеевский распад капли достаточно хорошо изучен и экспериментально, и теоретически. В тоже время, в ряде экспериментов наблюдался самопроизвольный распад заряженной капли на две-три части сравнимых размеров. Описана ситуация, когда неустойчивость тонкого слоя жидкости на твердой поверхности реализуется с образованием нескольких эмиссионных выступов. ПодоОїше виды неустойчивости изучены пока слабо. Мало исследовано влияние конечности скорости перераспределения ззряда при деформации поверхности неустойчивой капли на закономерности ее деления на части сравнимых размеров. Такая задача интересна тем более, что в технологических приложениях приходится иметь дело с весьма мелкими капельками, характерные времена капиллярных колебаний которых сравнимы с характерным временем релаксации электрического заряда, что может оказывать заметное влияние на физические закономерности реализации электрогидродинамических неустойчивостей и формирование спектра капель, эмиттированных неустойчивой поверхностью.
Цель работы состояла в исследовании нерэлеевских типов распада заряженной капли: распада капли на части сравнимых размеров; неустойчивости тонкого слоя жидкости на поверхности твердого сферического ядра; в исследовании влияния конечности скорости перераспределения заряда на условия распада капли на части сравнимых размеров. Для достижения поставленной цели решались задачи:
- построения теоретической модели влияния эффекта релаксации
электрического заряда на закономерности развития неустойчивости при
сильной сфероидальной деформации капли вязкой жидкости;
исследования влияния величины проводимости, подвижности и коэффициента диффузии заряженных частиц на закономерности капиллярных колебаний заряженной капли вязкой жидкости;
изучения закономерностей реализации неустойчивости заряженного слоя вязкой жидкости на поверхности твердого сферического ядра;
- расчета параметров распада заряженной капли на части сравнимых
размеров при различных типах распределения заряда на капле.
Научная новизна работы состоит в том, что в ней:
впервые исследовано совместное влияние величины сфероидальной деформации и различных механизмов перераспределения заряда в жидкости на спектр движений вязкой жидкости в заряженной сфероидальной капле;
впервые исследованы закономерности развития неустойчивости заряженного слоя вязкой жидкости конечной толщины на твердом сферическом ядре для произвольных значениях вязкости и показано, что для тонких пленок вязкой жидкости определякщую роль в развитии неустойчивости играет более высокая мода, чем основная;
выяснено, что капли диэлектрической жидкости с равномерно распределенным по объему электрическим зарядом могут делиться при малой деформации силами неэлектрической природы только на две капли сравнимых размеров, при весьма сильных деформациях возможен распад на три капли сравнимых размеров;
показано, что при поверхностном распределении заряда в капле диэлектрической падкости более вероятен асимметричный распад капли, но с ростом деформации возрастает вероятность симметричного распада; для идеально проводящей капли возможен только асимметричный распад.
Научная и практическая ценность работы заключается в том, что проведенные исследования способствуют лучшему пониманию физической природы процессов, протекающих в жидкокапельных дисперсных системах, таких, как грозовые облака и ионяо-кластерно-кадальные пучки, определяющую роль в эволюции которых играют заряды и электрические поля. Полученные результаты позволяют более точно вычислять параметры распада неустойчивых капель при изучении коллективных процессов в естественных жидкокапельных облаках, а также в аерозолях, образующихся в разнообразных технических устройствах, использующих диспергирование жидкости. Результаты работы могут найти применение при разработке новых конструкций жидкостных масс-спектрометров и технологических устройств для перемешивания нерастворимых друг в друге жидкостей.
На защиту выносятся:
возможный механизм реализации гидродинамической неустойчивости заряженного слоя вязкой жидкости на поверхности твердого сферического ядра;
возможный механизм влияния малой первичной деформации на условия развития неустойчивости сфероидальной капли с конечной проводимостью;
- расчет относительных размеров и зарядов капелек, образующихся
при распаде заряженных капель на две, три части при сильных сферой-
дальних деформациях;
- закономерности влияния начального распределения заряда в капле на реализацию одного из возможных каналов распада капли.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались: - на I международной конференции "Современные проблемы электрогидродинамики и электрофизики жидких диэлектриков" (Санкт-Петербург, 1994); - на 4-ой научной конференции ученых стран СНГ "Прикладные проблемы механики жидкости и газа" (Севастополь, 1995); - на втором международном аэрозольном симпозиуме (Москва, 1995); - на xyii конференции стран СНГ "Дисперсные системы" (Одесса, 1996); - хххг/ Международной научной студенческой конференции "Студент и научно-технический прогресс" (Новосибирск, 1996).
Структура и объем работы. Диссертация общим объемом 178 страниц, Б том числе 86 рисунков, состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 168 наименований и 3-х приложений.