Электрогидродинамическая неустойчивость и разрушение сферических слоев жидкости на поверхности мокрого града Дорошенко, Дмитрий Николаевич

Введение к работе

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕШ. К настоящему времени собрано значительное количество эмпирических данных в области атмосферных явлений и, в частности, явлений, связанншс с грозовой и градовой активностью мощных кучевых облаков. Предпринимаются попытки классификации этих данных и построения теорий грозо- и градообразования, грозового электричества с целью как Солее полного понимания атмосферных физических процессов, так и возможного прогнозирования гроз и градовых осадков, зачастую связанных с нанесением весьма ощутимого материального ущерба. Однако вопросы, связанные с физикой образования грозового электричества, генерации и регенерации облачных электрических диполей, а также градообразования до сих пор остаются открытыми. Имеющиеся теоретические модели, за редким исключением, не связывают грозовое электричество с наличием в облаках мокрого града и, как правило, ограничиваются рассмотрением либо только электрических, либо только гидроаэродинамических аспектов поведения облачных частиц. Несмотря на обилие экспериментальных данных касательно поводония отдельных капель и градин в грозовых условиях, а также данных натурных 'наблюдений, подтверждающих существование двусторонней связи между электрической активностью грозовых облаков и содержанием и поведением в них града, теоретические исследования электрогидродинамики града в грозовых облаках практически отсутствуют. В этой связи представляется весьма актуальным совместное, электро- и гидродина"ическое изучение поведения крупных обводненныых градин, падающих в грозовых облаках, и, в частности, механизма генерации электрических зарядов в результате реализации электрогидродинамической неустойчивости жидких оболочек мокрых градин.

ШЛЬ РАБОТЫ. В задачу диссертационной работы входило:

1. Нахождение критических условий возникновения электрогидродинамической (ЭГД) неустойчивости жидкого слоя произвольной толщины на поверхности твердого сферического ядра.

2. Определение параметров распада жидкого слоя на поверхности твердого ядра в результате его ЭГД-неустойчивости.

3. Выяснение физических закономерностей и характера перехода жидкого слоя от устойчивости к неустойчивости.

4. Усовершенствование теоретической модели, описывающей процесс таяния града при падении в атмосфере.

5. Разработка механизма генерации грозового электричества, основанного на эффектах коллективного взаимодействия и ЭГД-неустойчивости облачных гидрометеоров.

НАУЧНАЯ'НОВИЗНА РАБОТЫ. В тгиссертационной работе впервые теория устойчивости жидких систем была применена к слоям жидкости, покрыва-

-2-.

пцим твердое ядро. Полученные результаты отличаются от таковых для сплошной капли жидкости. Исследована парамотричаская неустойчивость покрыващего твердое ядро слоя жидкости, при атом учтено влияние на устойчивость слоя расклинивающего давления. Предложен новый механизм электризации грозовых облаков за сравнительно небольшие промежутки времени, учитывающий коллективный характер взаимодействия облачных частиц, который может выступать в качестве пускового при генерации облачных электрических диполей. Проведен качественный теоретический расчет скорости роста облачного электрического поля при действии указанного механизма, результаты которого хорошо согласуются с данными натурных наблюдений. Получен критерий перехода электрогидродинамической двухфазной сферической системы от устойчивости к неустойчивости. Предлохев новый механизм таяния града в условиях грозового облака, когда гидрометеоры заряжены и находятся во внешнем электрическом поле, учитывающий периодический сброс жидкости в процессе таяния и связывающий таяние с развитием в жидком слое ЭГД-неустойчи-вости. Проведенное исследование позволяет объяснить ряд физических закономерносте. процессов в грозовых облаках, связывая их с поведе- . ниєм тающего или мокрорастущего града, в частности, с разрушением жидких оболочек мокрых, градин, в .также с сильной устойчивостью топких переохлажденных пленок на поверхности ледяных частиц.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ работы заключается в выяснении физических закономерностей поведения жидких слоев на поверхностях конечной постоянной кривизны в поле сил электрической, диссипативной и флуктуа-ционной природы, что позволяет использовать ее как в различных областях физики (физика грозы, теория грозового электричества, физика града, физика низкотемпературной плазмы продуктов сгорания твердых топлив, где частицы твердого топлива покрыты слоем окисла или расплава и т.д.), так и при разработке новых технологий и технических устройств, использующих ЭГД-неустойчивость жидких слоев или явление электродиспергирования жидкости (борьба с градобитиями, повышение экономичности установок для сжигания твердых топлив,. разработка жвд-кометаллических источников иовов, ионных коллоидных _жэактивннх двигателей, жидкостных масс-спектрометров, устройств влектрокаплеструн-ной печати, практика распыления лакокрасочных материалов и т.д.). Части работы, связанные с определением параметров электродиспергиро-вания жидкого слоя, выполнялись по хоздоговс ной тематике.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Материалы диссертации докладывались и обсуждались:

- на VIII Всесоюзной конференции по поверхностным силам (JfocstEa, 1985);

на Всесоюзных семинарах по активним воздействиям на градовые процессы (Нальчик,1987,1989);

на II Всесоюзной конференции по активним воздействиям на процессы в грозовых облаках (Киев, 1988);

на XV Всесоюзной конференции по вопросам физики аэродисперсных систем (Одесса, 1989);

на IV Всесоюзном симпозиуме по атмосферному электричеству (Нальчик, 1990); .

на Всероссийской конференции по малоизученным формам естественных электрических разрядов в атмосфере (Ярославль,1992);

на IX Международной конференции по атмосферному электричеству (С.-Петербург, 1992).

ПУБЛИКАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ. По теме диссертации опубликовано 7 статей, I отчет о НИР, 5 тезисов докладов на конференциях.

ОСНОВНЫЕ ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛ0ІЕНИЯ ДИССВРТАЦИИ. На защиту выносятся:

6. Модель электрогидродинамической неустойчивости заряженного сферического слоя жидкости на поверхности твердого ядра во внешнем электрическом поле.

7. Модель таяния и электрогидродинамической неустойчивости крупной градины, падающей в условиях грозового облака.

8. Механизм генерации грозового электричества за счет разруше-. пия, вследствие ЭГД-неустойчивости, жидких слоев таяния или мокрого роста на поверхности облачных ледяных частиц, электрически заряженных и находящихся во внешних электрических полях.

9. Критерий порехода ЭГД двухфазной сферической системы к неустойчивости.

10. Механизм параметрической раскачки электрогидродинамической неустойчивости капиллярных волн в слое жидкости.

11. Модель электродиспергирования жидкости из слоя на поверхности сферического ядра.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация состоит из Введения, трех Частей (пяти Глав), заключения, списка литературы (118 наименований) и 8 Приложений. Общий обем работы 136 страниц машинописного текста, 31 рисунок.