Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ. При рассмотрении первооче-яцых задач физики на ближайшие годы неизменно в их число пючагот изучение свойств поверхностей твердых тел и жидкостей. И э не случайно. Задача изучения поверхностных свойств диктуется не лько логикой развития науки и уровнем экспериментальной техники,
главным образом потребностями практики, поскольку зн'ачи-тъная часть различных технологических процессов определяется гментарными явлениями на поверхности. В многообразии поверхно-тых феноменов существенное место принадлежит явлениям на верхности сплошной среды в присутствии электрических и магнит-IX полей - области, которая стала интенсивно развиваться в постнее время. Интерес к электродинамическим и, особенно, электро-зродинамическим взаимодействиям на поверхности связан с возмож-стыо нарушения ее устойчивости и, как следствие, управления этой гойчивостью электрическим полем. Электромагнитное поле позио-їт управлять потоками энергии, заряда, вещества (в молекулярной, иной форме или в виде дисперсной фазы) на границе раздела фаз. верхностная электродинамика служит, с одной стороны, перво-іовой объяснения ряда природных феноменов (проблема грозо-разования, радиоизлучение предгрозовых облаков и т.д.), а с другой >роны, имеет важные технологические применения, - такие, как гпергирование материалов, генерация аэрозолей, нанесение поверх-стных пленок, перемешивание жидкости в электрическом поле и т.д. В последние годы значительно усилился интерес к вопросу о нару-нии устойчивости поверхности массивной жидкости и твердого тела шектрическом поле. Этот интерес стимулируется запросами прак-си. Именно возникновение неустойчивости поверхности лимитирует ш жидкометаллических эмиттеров, определяет протекание разлнч-х процессов при вакуумных разрядах. На разрушении поверхности дкости в электрическом поле основана работа пленочных грануля-эов, электродинамических источников жидкостно-капельных пучков эаспылителей жидкости, позволяющих получать монодисперсные юзоли, струйные течения жидкостей, а также наносить различные (срытия, пленки и т.д. Результаты исследования поверхностной жтрогидродинамики широко используются в практике конструи-їания перспективных пленочных грануляторов. Ряд технологических
процессов, таких, например, как окраска пульверизатором или посе распылением, требует создания облака мелких жидких капель - это доі тигается электростатическим распылением при пропускании жидкосл через отверстие с электрическим потенциалом.
Заметим, что взаимодействие между электрическими полями жидкостями в гидромеханике может выступать в качестве своего ро нежелательных помех. Примером может служить проблема возннкш вения жидкого электропроводного слоя на поверхности спускаемьі модулей космических аппаратов и связанная с этим экранизащ антенн, электрохимические проблемы с гидравлической аппаратуро космических аппаратов, а также сложности, возникающие в топливнь сетях маршевых двигателей, связанные с запирающими слоями у разделяющих сетках в баках.
Важно отметить также, что исследование поверхностной электр< динамики актуально не только в связи с прикладными задачамі далеко не полный перечень которых приведен выше, но и име< самостоятельное научное значение, поскольку возникает необході мость решения систем уравнений механики сплошной среды, макр< скопической электродинамики и теплофизики.
Обозначенный круг проблем делает предмет поверхностной электр< динамики весьма актуальным.
ЦЕЛЬЮ РАБОТЫ является теоретическое исследование воздействг постоянных и переменных электрических полей на поверхность прові дящей жидкости и твердого тела, исследование волновых движений неустойчивостей поверхностей в названных условиях, причем в случ; поверхностной электрогидродинамики вязкость ( равно как и повер: постное натяжение) рассматривается с учетом релаксации, т.е. зависі мости названных характеристик от частоты, по сути, - с учето твердотельных особенностей поведения. Одно из центральных мест работе занимает базовая задача о поведении плоской поверхност проводящей жидкости или твердого тела в нормальном электрическс поле, - проблема, являющаяся изначальной для различных услов* исследования. В рассматриваемых задачах существенным был таю учет теплового и фотоэлектрического действия электромагнитно! поля для создания неоднородных электрических структур на повер ности и вблизи ее. Учтена также возможность модификации повер ности твердого тела за счет перераспределения примесной (наприме молекулярной) составляющей в электрическом поле.
Естественным явилось обобщение задачи на случай волновых движе-!ий поверхности твердого тела в электрическом поле, а также исследо-анне поверхностных движений жидкости, покрытой пленкой - упру-ой сплошной или островковой. Дело в том, что изучаемые неустой-ивости развиваются на коротких временах, когда становится сущест-енной динамическая сдвиговая упругость жидкости, -'это связывает вления поверхностной неустойчивости в жидкости и твердом теле.
Таким образом, для достижения цели диссертации были проведены іаботьі в следующих направлениях:
изучение волновых движений поверхности электропроводной жид-ости в переменном электрическом поле;
определение условий возникновения параметрической неустойчи-ости її неустойчивости Френкеля-Тонкса при действии переменного юля на поверхность;
исследование влияния различного рода неоднородностей (поля или войств среды) на развитие волновых движений проводящей поверх-іости в переменном электрическом поле;
исследование влияния эффектов релаксации вязкости и релаксации юверхностного натяжения на указанные процессы;
изучение формирования неоднородной поверхности твердого тела а счет перераспределения примесной компоненты или за счет тепло-ого эффекта во внешнем электромагнитном поле ;
- теоретическое исследование неустойчивости модифицированной
еоднородной поверхности твердого тела;
- анализ приложений вышеуказанных процессов для некоторых задач
юлекулярной физики и тепломассопереноса.
СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. Если электрогидро- и электрогазодина-іика объемной фазы к настоящему времени как научное направление олностью сформировались, то поверхностная электродинамика и, собенно, электрогидродинамика активно развивается, несмотря на вою весьма большую предисторию.
По-видимому, первый результат в данной области получил Lord Layleigh, который более ста лет назад поставил вопрос об устойчи-ости поверхности идеальной жидкости в электрическом поле, рас-матривая задачу о равновесной форме заряженной капли. В дальнейшем изучение поведения плоской поверхности массивной роводящей жидкости провели в 30-е годы Френкель Я.И. и Tonks L., оторые независимо предсказали неустойчивость гравитационно-
капиллярных волн в условиях достаточно сильного электрического поля, нормального к этой поверхности.
Принципиальный результат по структуре поверхности жидкости, возникающей в сильном электрическом поле, получил в середине 50-х годов Taylor G. В дальнейшем теория уточнялась и развивалась рядом авторов (Melcher J.) и проверялась в экспериментах (Castellanos А.). Довольно активно исследовался рост неустойчивости твердой поверхности в условиях приложенного электрического поля, а также возникновение поверхностного рельефа при воздействии электромагнитных (в частности, лазерных) полей.
Во многих экспериментах показано, что появление неоднородностей (в виде пленок или островков) на поверхности жидкости или твердого тела под действием внешних полей сопровождается перераспределением последних по поверхности, что приводит к росту возмущений со временем. Важно отметить, что способ описания свойств вязких жидкостей с привлечением понятия времени релаксации предложил Maxwell J.C.
В настоящее время различные аспекты электрогидродинамических течений разрабатываются в научных организациях СНГ. География этих исследований очень широка. МГД и ЭГД грануляторами на основе управляемого распада пленок занимаются в Киевском институте электродинамики; электроконвективный теплообмен, электроконвекция, ЭГД испарктельно - конденсационные системы широко исследовались в Кишиневском институте прикладной физики; фронтальные теоретические исследования по различным аспектам неустойчивости поверхности, в частности, вопросам, связанным с электрическими явлениями в атмосфере, проводятся в Ярославском Государственном Университете. Большой вклад своими работами по параметрической раскачке поверхности маловязкой жидкости в гармоническом электрическом поле внесли сотрудники Уральского научного центра. Ими экспериментально получены значения порога параметрической неустойчивости в зависимости от частоты поля, которые хорошо согласуются с теоретическими представлениями. Дальнейшее развитие идея параметрической раскачки поверхности во внешних полях (не обязательно электрических) получила в многочисленных технических приложениях: различные механизмы пенопогашения, поведение поверхности сверхтекучей жидкости (гелия II), повышения кавита-цнонной стойкости металла в результате поверхностного наклепа, возможный механизм кавитацнонной эрозии и т.д.
Постоянное внимание уделяли указанным направлениям научные лколы НИИ механики МГУ, Института проблем механики, Москов-:кого государственного технического университета им.Н.Э.Баумана, Института физики Латвии, НИФХИ им. Карпова Л.Я., Курского Государственного Технического Университета, Ленинградского Государственного Университета, Института высоких температур РАН, Московского инженерно-физического института.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ. Материал диссертации, за включением "Введения", является оригинальным и базируется па ісследованиях автора, проведенных в большинстве своем впервые. Полученные в диссертации основные результаты являются базисом ювого научного направления - "Возмущения и неустойчивости поверхности проводящей среды в электрическом поле".
Научная новизна работы определяется следущими основными поло-кениями, выносимыми на защиту:
выведены дисперсионные уравнения поверхностных волн в релак-:ирующей жидкости во внешнем электрическом поле;
проведен численный анализ дисперсионных уравнений в действительной и комплексной областях, позволяющий обнаружить бифуркации соответствующих решений;
осуществлен анализ статистики времен ожидания пробоя жидкой юверхности в допороговом режиме;
- выведено дисперсионное уравнение для волн на поверхности прово-
дещей жидкости, покрытой однородной упругой диэлектрической
іленкой в условиях воздействия электрического поля, а также при
іаличии плоского экрана параллельного поверхности;
- исследована возможность индуцирования неоднородной электри-
іеской структуры в поверхностной пленке за счет фотоэффекта в
лектромагнитном поле и, особенно, возбуждения волновых движе-
1ий электрическим полем в данном случае;
обоснован метод геометрической акустики для волн на заряженной юверхности жидкого проводника, метод применен для исследования фокусировки капиллярных волн в неоднородном электрическом поле;
разработана теория параметрической неустойчивости плоской поверхности проводящей вязкой жидкости при одновременном воздей-твии постоянного и переменного электрических полей, нормальных : поверхности;
определены пороги параметрической неустойчивости поверхности релакснрующей жидкости в произвольных переменных полях;
осуществлен анализ особенностей неустойчивости однородной и неоднородной поверхности при наличии экрана в случаях постояного, переменного или неоднородного полей;
изучены условия создания неоднородной поверхностной структуры твердого тела за счет перераспределения молекулярной примеси или за счет теплового эффекта во внешнем электрическом поле;
построена теоретическая модель нарушения устойчивости модифицированной поверхности твердого тела;
использованы методы поверхностной электрогидродинамики для объяснения капельного массопереноса в электрической дуге;
определен порог возникновения неустойчивости по току электропроводной поверхности в условиях поля, параллельного последней;
представлена модель сверхбыстрого распространения загрязнений по поверхности жидкости;
изучен механизм возможного использования электромагнитного поля для очистки сеток газовых пузырей в топливных системах космических аппаратов.
НАУЧНАЯ И ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ стимулируется потребностями различных областей науки: механики сплошной среды, электродинамики, теплофизики, молекулярной физики, физики твердого тела и др. в связи с развитием интенсивных технологий сложных физико-химических систем. Управление такими системами предполагает возможность предсказания их повеления в различных условиях, что невозможно без создания адекватных математических моделей.
Результаты, полученные в диссертации, являются определенным продвижением в этом направлении и представляют не только несомненный научный, но и практический интерес и могут .быть использованы:
для процессов рафинирования материалов с использованием электрических полей;
для визуализации, запоминания, обработки световых импульсов и создания устройств оперативной и долговременной памяти на элект-ретной основе;
для расчета возможных режимов капельного массопереноса в электрической дуге;
- при проектировании установок автоматической панки за счет
электродиспергирования припоя;
для оптимизации работы трансляторов и диспергаторов жидкостей (в том числе и расплавов) в электрическом поле;
для создания технологических процессов очистки (и дезактивации) поверхностей жидкостей и твердых тел от пленок и' молекулярных составляющих с использованием электромагнитных полей;
- для определения условий стабилизации пленками электрически
заряженных поверхностей;
- для оптимизации работы ионных эмиттеров;
- для выявления условий сверхбыстрого распространения поверх
ностно-активного вещества по поверхности жидкости, что важно
для оценки безопасности мест хранения опасных веществ, загрязня
ющих окружающую среду;
- для создания методов разрушения газовых пузырьковых "пробок" в
топливных системах летательных аппаратов;
- при создании и оптимизации (увеличении быстродействия) печатаю
щих устройств с использованием эмиссии жидкости в электрическом
ноле. - .
Кроме того, результаты работы могут использоваться при объяснении некоторых природных явлений, таких, как грозообразование, радиоизлучения предгрозовых облаков и т.д. Все вышеназванное определяет практическую значимость работы.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. Для большинства задач поверхностной электродинамики получены решения систем уравнений механики сплошной среды с подходящими граничными условиями. Основная часть результатов получена в аналитическом виде. Применялось также численное решение указанной системы.
ДОСТОВЕРНОСТЬ РЕЗУЛЬТАТОВ. Все положения, результаты и выводы диссертации убедительно обоснованы строгими аналитическими расчетами на основе известных методов математического анализа и теоретической физики. Достоверность полученных в диссертационной работе результатов гарантируется строгостью применяемых математических методов, а также совпадением результатов в предельных случаях с известными из литературы данными. Положения и выводы, сформулированные в работе, обоснованы пугем рассмотрения их физического содержания, корректного математического анализа и правомерности сделанных допущений.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные результаты диссертации обсуждались на семинарах каф. физики Московского государственного технического университета им.Н.Э.Баумана (рук. Павлов К.Б., 1987 -96 гг., Толмачев В.В., 1995-1996 гг. и Киселев М.И., 1995г.), каф. физики Курского государственного технического университета (рук. Жакин А.И., 1996 г.), каф. теор.физики МИФИ (1996 г.), на заседании научного Совета отдела специализированных процессоров ИАЭ им. Курчатова, 1995г.). Отдельные результаты докладывались на семинарах НИИ механики МГУ (1988 г.), Института механики сплошных сред Уральского научного центра ( Пермь, 1988 г.), ВНИИ неорганических материалов им.Бочвара А.А. (1993 г.), на XII и ХШ Всесоюзных Совещаниях по магнитной гидродинамике (Саласпилс, 1987 и 1990 гг.), на международных конференциях по гидродинамике невесомости (Бремен, 1992, 1994, 1996 гг; Пермь, 1991 г.; Пекин, 1993 г.), физическим проблемам экологии (Ижевск, 1992 г.; Минск, 1992 г.), на "Ляпуновских чтениях" (Харьков, 1992 г.), в Казанском авиационном институте (1995 г.) и в Институте физики Латвии (1990 г.).
ПУБЛИКАЦИИ. По теме диссертации опубликовано 28 печатных работ, перечень которых приведен в конце автореферата.
ЛИЧНЫЙ ВКЛАД. Автором проведен анализ проблемы, определен круг вопросов и цель исследования, предложены физические модели и сформулированы постановки соответствующих задач, выбраны методы их исследования, получены аналитические решения, проведен анализ результатов и сформулированы выводы.
Из 28 опубликованных по теме диссертации работ 15 без соавторов.
СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ. Диссертация, состоит из введения, семи глав, заключения и списка литературы. Работа содержит 202 страницы машинописного текста, 29 рисунков и список литературы из 216 наименований.