Введение к работе
Актуальность темы. Актуальность исследования влияния эффектов иаксации вязкости, электрического заряда и коэффициента поверхностно натяжения, а также расклинивающего давления на физические законо-эности реализации капиллярных электростатических неустойчивостей в зперсных системах связана с широким распространением жидкостных аэ-юлей в природе, различных областях техники и технологии. Изучение ючисленных вопросов является источником важной информации о физи-жих особенностях функционирования приборов и устройств, исподъзую-: электрогидродинамический способ создания иовно-кластерно-капёльных сков: жидкометаллических источников ионов (ЗШИИ); устройств для жид-!еталлической литографии и эпитаксии; новых типов масс-спектрометров і анализа термически нестабильных и нелетучих веществ; электро-1КТИВНЫХ двигателей; устройств для получения потоков монодисперсных иль в термоядерном синтезе; ускорителей макрочастиц. Выяснение за-юмерностей развития неустойчивости заряженной поверхности жидкости шктродиспвргирования жидкости раскрывает новые возможности при работке современных средств получения порошков тугоплавких метал-|, устройств для распыления топлив, ядохимикатов и лакокрасочных ериалов. Существует целый спектр нерешенных физических проблем, занных с эволюцией заряженных жидко-капельных облаков естественного исхождения. Хотя столь широкое использование явления неустойчивости яженной жидкой поверхности обусловлена эффектом эмиссии отдельных ель на финальной стадии неустойчивости, до сих пор не существует рентных методов расчета параметров образующихся капель: их размеров арядов. В стадии становления находятся и представления о закономер-тях эволюции облаков заряженных жидко-капельных аэрозолей и клас-ш-капельной фазы ионных пучков при существенном влиянии релаксациях йффектов.
Цель работы состояла в разработке теории реализации неустойчивос-заряженной жидкой поверхности, электростатического и электрогидро-амического диспергирования жидкости, обладающей реальными свойства-
проявлящимися в конечности скорости перераспределения заряда, ко-упругости на коротких временных интервалах, наличии динамическо-поверхностного натяжения.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить задачи:
- исследовать влияние эффектов динамического поверхностного натя-ия, релаксации электрического заряда, релаксации вязкости жидкости, кэских характеристик внешней среды на закономерности реализации зтойчивости заряженной поверхности жидкости на финальной стадии витая неустойчивости ее поверхности, включая диспергированиэ;
- изучить влияние расклинивающего давления на закономерности р
лизации неустойчивости заряженной поверхности тонкой шюнки жидкост
""- получить дисперсионное уравнение капиллярных колебаний вяз заряженной сфероидальной капли; исследовать временную эволюцию сфер дальней деформации неустойчивой заряженной кашш; выяснить мехави реализации неустойчивости такой капли и возможные каналы распада;
'- проанализировать влияние релаксационных эффектов на законамв ности'эволюции заряженных жидко-капельных систем естественного и : кусственного происхождения; рассмотреть электрогидродинамические пакты функционирования таких устройств как жидкомэталлические источ ки ионов и масс-спектрометры для анализа нелетучих жидкостей;
- разработать принципы классификации экспериментально наблюдав] режимов электротадродинамичеокого диспергирования жидкости.
Научная новизна работы состоит в том, что в ней:
исследован вклад релаксационных аффектов в комплекс физичега явлений, связанных с капиллярными электростатическими и элвктрогид] динамичесними неустойчивостями в дисперсных системах, начиная с фж ческого механизма развития неустойчивости заряженной поверхности жі кости, кончая физическими закономерностями эволюции заряженных жид капельных аэрозолей и капельной фазы ионно-кластерно-капельных пучкі
впервые показано, что явления релаксации вязкости, заряда поверхностного натяжения ограничивают спектр капиллярных волн, прш мащих участие в реализации электростатических и электрогидродинаг ческих неустойчивостей;
выяснено, что физическая природа эффекта динамического повв] ностного натяжения связана с волновым движением в стратифицирован! жидкости, когда стратификация обусловлена наличием свободной шве] ности жидкости;
показано, что влияние расклиниващего давления на критичесі условия реализации неустойчивости заряженной поверхности жидкости зі чительно и приводит к резкому их увеличению;
впервые получено строгое решение задачи о расчете спектра і пиллярных колебаний вязкой заряженной сфероидальной капли, выведвнс решено нелинейное интегральное уравнение, описывающее временную sboj цию 'сфероидальной деформации кашш, неустойчивой по отношению к собс венному заряду;
показано, что эффект быстрого просветления оптически плоті азродисперсных систем при внесении заряженного водного аэрозоля оби няется рэлеевскими распадами испарящихся сильно заряженных кап? воды, коагуляцией высокодисперсных дочерних капель с частицами аэрон ля и последующим электростатическим рассеянием;
- предложен принцип классификации экспериментально наблюдаемых имов электродиспергирования жидкости.
Научная и практическая ценность работы заключается в предсказании а новых эффектов, связанных с учетом влияния конечности скорости враспределения электрического заряда, вязкоупругих свойств жидкос-
зависимости величины коэффициента поверхностного натяжения ее сво-ной поверхности от частоты и дисперсионных сил на закономерности лизации электростатических неустойчивостей и на электродиспергиро-ие жидкостей на финальной стадии развития неустойчивостей. Значить рассмотренных явлений связана с тем, что они лежат в основе соз-ия жидко-капельных дисперсных систем , являющихся ключевыми объек-и при изучении разнообразных геофизических и атмосферных явлений,
разработке методов и приборов для анализа состава, структуры и йств различных веществ. Проведенное исследование позволило сущест-но расширить и углубить представления о физических закономерностях ктродиспергирования жидкостей, в частности прояснить процессы, про-одящие в заряженных жидко-капельных аэрозолях, при формировании них пучков в ЖМИИ, масс-спектрометрах и устройствах для электродис-гирования жидкостей.
На защиту выносятся: - механизмы влияния релаксационных и дисперсных явлений, внешней среды на закономерности реализации неустойчи-ти заряженной поверхности жидкости; - механизмы реализации неустой-ости капель по отношению к поверхностному заряду; - теория электро-пергирования жидкости при неустойчивости ее заряженной поверхности; гринципы классификации наблюдаемых режимов электродиспергирования кости.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и уждались:- на Всесоюзной конференции по активным воздействиям на рометеорологические процессы (Киев, 1987);- на рабочей группе по ика плазмы с КДФ (0десса,1987);- на 4-м Всесоюзном семинаре по гид-еханике тепломассообмену в невесомости (Новосибирск, 1987);- на 2 и Зсесоюных совещаниях по физике низкотемпературной плазмы с КДФ веса, 1986, 1988 гг.); - на 1-й и 2-й выездных сессиях секции га-ого разряда координационного совета АН СССР по проблеме "Физика котемпературной плазмы" по теме "Физика долгоживущих плазменных азований и шаровой молнии" (Ярославль, 1986, 1988); - на Всесоюзной фэренции "Долгоживущие плазменные образования и малоизученные формы ественных электрических разрядов в атмосфере" (1990, г.Ярославлъ); їа Всесоюзной научно-технической конференции по физике и технике йдасперсных систем (Москва, 1988, 1991);- на Бсесотаном семинаре иросы электротехнологии МГД-гранулирования металлов" (Киев, 1989);-
на 6 Всесоюзном совещании по электрической обработка материалов (Ні нев, 1991);- на 14 и 15 Всесоюзных конференциях "Актуальные bohj физики аэродисперсных систем" (Одесса, 1986, 1989 гг.);- на Всесокк семинарах по электрокаплеструйной технологии (Ленинград, 1988, IS 1990, 1991 гг.);- на 3 и 4 Всесоюзных симпозиумах по атмосфер электричеству (Тарту, Г986, Нальчик, 1990);- на Международном симпс уме по электромагнитной совместимости (Токио, 1989); - на Всесоюэ семинаре-совещании по электрогидродинамике и электрофизике жидких электриков (Ленинград, 1991);- на 9-м международном симпозиуме по мосферному электричеству (Санкт-Петербург, 1992);- на 1-й Российс конференции "Долгокивущиэ плазменные образования и малоизученные фо естественных электрических разрядов в атмосфере" (Ярославль, 1992) на Российской аэрозольной конференции (Москва, 1993);- на 16-й и I конференциях стран СНГ по вопросам испарения, горения и газовой да мики дисперсных систем (Одесса,1994,1996);- на III международной к ференции по электрогидродинамике и электрофизике жидких диэлэктрк (Ленинград, 1994);- на 1-м и 2-м международных аэрозольных симпозиуі (Москва, 1994, 1995);- на 8-й международной рабочей группе по пог] ничным эффектам в стратифицированной жидкости и/или вращающейся киді сти (Пушкин, 1995).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из Введения, іи глав, Заключения и списка литературы из 359 наименований. Объем раб< 341 стр., 78 рис., 4 табл..