WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Журнал технической физики, 2004, том 74, вып. 8 03;12 Особенности структуры сквозного электрогидродинамического течения в симметричной системе электродов © А.В. Буянов, Ю.К. Стишков Научно-исследовательский институт радиофизики Санкт-Петербургского государственного университета, 198504 Санкт-Петербург, Россия e-mail: stishkov@paloma.spbu.ru (Поступило в Редакцию 25 ноября 2003 г.) Проанализированы экспериментально полученные распределения скоростей и ускорения сквозного электрогидродинамического течения. На основе анализа основных особенностей кинематической и динамической структур делаются выводы о распределении объемного заряда и процессах, происходящих в зоне рекомбинации, которая оказывается вынесенной за пределы межэлектродного промежутка.

Введение Кинематическая структура сквозного электрогидродинамического течения В работах [1,2] описана зонная структура электрогидродинамических течений в несимметричной систеНа рис. 1 приведен график линий уровня скорости ме электродов (провод-плоскость, лезвие-плоскость) сквозного электрогидродинамического течения. За едии приведен сравнительный анализ таких течений с ницу длины взято межэлектродное расстояние. Карты встречными течениями в симметричных системах элеклиний уровня нормированы на величину максимальтродов (провод-провод). Отличительной особенностью ной скорости. Струя, идущая от активного электрода течений в симметричных системах электродов являются (катода), обозначена стрелкой 1, а струи, выходящие длинные боковые струи, в которых происходит рекомза пассивный электрод (анод), — стрелкой 2. Центры бинация заряда [3]. Известно [4], что в симметричных электродов расположены в точках с координатами 0,0 системах электродов структура электрогидродинамиче(катод) и 0,1 (анод). Из этого рисунка видно, что ских течений определяется соотношением скоростей скоростная структура сквозного электрогидродинамичеионобразования на катоде и аноде. Если эти скорости ского течения существенно отличается от структуры равны, то течение реализуется в виде двух потоков течения в системе электродов провод над плоскостью [2].

равной интенсивности. Жидкость в боковых струях двиЭти различия, как и для встречных течений, в основном гается перпендикулярно прямой, соединяющей центры касаются зон торможения жидкости. У сквозного течеэлектродов. Если же скорости образования заряда не ния зона торможения вынесена за пределы межэлектродравны, то происходит искажение структуры течения:

ного промежутка: в области за пассивным электродом на поток от „активного“ электрода, на котором скорость расстоянии L скорость жидкости уменьшается в 2 раза зарядообразования выше, преобладает над встречным (L — расстояние между электродами). В этой облапотоком, при этом плоскость раздела встречных потоков сти электрическое поле направлено противоположно смещается к „пассивному“ электроду (где скорость зарядообразования ниже). Сквозное течение есть пре- направлению движения жидкости. Однако тормозящий дельный случай встречного течения, когда поток от эффект весьма мал. Эта особенность сквозного элекактивного электрода намного интенсивнее потока от трогидродинамического течения делает его особенно пассивного. Угол наклона боковых струй к первона- перспективным для практического использования. Одначальному направлению течения падает до очень малой ко эти перспективы требуют детального исследования величины, а сами струи выходят далеко за пределы структуры сквозного течения.

межэлектродного промежутка [1]. По этой причине сквозное электрогидродинамическое течение наиболее перспективно для практического применения.

В данной работе рассматривается кинематическая и динамическая структуры сквозного электрогидродинамического течения. Течения визуализировались с помощью мелких (несколько десятков микрометров) воздушных пузырьков и снимались на видеопленку. Полученные изображения обрабатывались пакетом программ, описанных в работах [2,5]. В качестве конечных результатов они позволяют получить векторные поля скоростей и ускорений электрогидродинамического течения, поверхностные графики и карты линий уровня скорости Рис. 1. Карта линий уровня скорости сквозного электрогиди ускорения. родинамического течения.

Особенности структуры сквозного электрогидродинамического течения... жутка. Зона торможения сквозного течения начинается на уровне 0.8 L и выходит далеко за пределы межэлектродного промежутка.

Структура зон ускорения и торможения Для более тщательного изучения зоны ускорения в режиме сквозного течения обработаны видеофильмы электрогидродинамического течения в зоне ускорения и в зоне у пассивного электрода, специально снятые при большом увеличении, что позволило существенно повысить разрешение в зоне интереса. Результаты обработки зоны интереса около активного электрода представлены на рис. 3. Как видно из рисунка, у активного электрода происходит существенная концентрация линий тока электрогидродинамического течения, формируется узкая центральная струя течения. Область ускорения имеет Рис. 2. Карты линий скорости (a) и линий уровня ускорения сквозного электрогидродинамического течения (b) в пределах межэлектродного промежутка.

На рис. 2 представлены карты линий уровня скорости (a) и сил (b) при сквозном течении в области между электродами, центр активного электрода находится в точке (0,0), пассивного — в точке (0,1).

Как видно из рис. 2, зонная структура, характерная для течений в несимметричных системах электродов (провод плоскость, лезвие плоскость), в целом сохраняется, за исключением зоны торможения. Продольные размеры зоны ускорения составляют около 0.3-0.4 L, в то время как для встречных течений и течений в системе провод-плоскость ее протяженность не превышает 0.2 L. Хорошо видна зона равномерного течения жидкости. Она начинается на расстоянии 0, 3 L от акРис. 3. Карта линий тока течения около активного элективного электрода и заканчивается на расстоянии 0.8 L, трода (a) и линий уровня скорости течения около активного т. е. занимает большую часть межэлектродного проме- электрода (b). Стрелками показано векторное поле ускорения.

Журнал технической физики, 2004, том 74, вып. 122 А.В. Буянов, Ю.К. Стишков которые не соединяются за электродом на достаточно большом расстоянии (рис. 4). Образуется „шлейф“ течения, внутри которого нарушается гидродинамическая устойчивость электрогидродинамического течения, отдельные струйки тока изменяют направление своего движения, появляются первые признаки турбулизации, не соблюдается постоянство траекторий во времени.

Как видно из рис. 2, интенсивность ускорений (замедлений) в зоне торможения намного ниже, чем в зоне ускорения, и не намного превышает их интенсивность в зоне равномерного течения. Как видно из рис. 5, наибольшие изменения скорости происходят в непосредственной близости от электрода. Здесь выделяРис. 4. Карта линий тока течения около пассивного электрода.

воронкообразную форму, а ее размеры невелики: 2-4 D (где D — диаметр электрода) в длину и около 2D в поперечном размере. Она локализована непосредственно у поверхности активного электрода (катода).

В зоне ускорения скорость электрогидродинамического течения существенно возрастает по величине, т. е., как и в случае течений в несимметричной системе электродов, происходит накопление кинетической энергии течения за счет энергии электрического тока. Как видно из рис. 3, b, у активного электрода действует интенсивная объемная электрическая сила. На расстоянии 1-2 D появляется составляющая ускорения, направленная под острым углом к центральной оси течения. Этот эффект, по-видимому, связан с электрическим зарядом, имеющимся в центральной струе электрогидродинамического течения.

Ускорения до внутренней кромки электрода (координаты 0,0) значительно меньше, чем в области между электродами, в то время как и в несимметричной системе электродов, и во встречных течениях [3] жидкость заметно ускорялась еще в области до электрода. Еще одной особенностью сквозного электрогидродинамического течения является достаточно узкая центральная струя (поперечный размер 1-2 D) (рис. 3).

На рис. 4, 5 представлены результаты исследования зоны около пассивного электрода, полученные с повышенным разрешенеием. Лобовая поверхность электрода находится в точке с координатами (1,0). При обычном обтекании цилиндра жидкостью в таких условиях линии тока огибают поверхность цилиндра и реализуется так называемое ползущее течение, когда конфигурация линий тока практически симметрична относительно оси цилиндра [6]. При повышении скорости течения наблюдается зона отрыва течения за цилиндром. Анализ структуры сквозного электрогидродинамического течения жидкости в области за электродом показывает, что отрыв течения наблюдается при более малых скоростях Рис. 5. Векторное поле ускорения около пассивного элеки структура течения в этой области имеет свою харак- трода (a) и карта линий уровня ускорения течения около терную особенность: течение разделяется на две струи, пассивного электрода (b).

Журнал технической физики, 2004, том 74, вып. Особенности структуры сквозного электрогидродинамического течения... ется небольшая клинообразная застойная область перед Список литературы электродом. Как видно из векторного поля ускорений [1] Стишков Ю.К., Остапенко А.А. Электрогидродинамиче(рис. 5, b), в области перед пассивным электродом ские течения в жидких диэлектриках. Л., 1989. 173 с.

наблюдаются достаточно большие тормозящие силы.

[2] Стишков Ю.К., Павлейно М.А. // ЭОМ. 2000. № 1.

Наличие этой зоны связано с инжекцией одноименного С. 14–21.

заряда с поверхности пассивного электрода, который [3] Стишков Ю.К., Буянов А. // ЖТФ. 2003. Т. 73. Вып. 8.

сносится основным потоком в область за электродом.

С. 34–39.

В этом случае инжекция гораздо менее интенсивна, чем [4] Стишков Ю.К. // ДАН СССР. 1986. Т. 288. № 4. С. 861– в случае встречных электрогидродинамических течений 865.

и не способна образовать встречную струю. Тем не [5] Стишков Ю.К., Павлейно М.А. // Сб. докл. VI Междунар.

менее биполярная структура зоны рекомбинации сохранаучных конф. „Современные проблемы электрофизики и няется, а сама зона снесена в область за электродом.

электрогидродинамики жидкостей“. СПб., 2000. С. 4–9.

В этой области внутренние слои струи заряжены одно[6] Альбом течения жидкости и газа. Пер. с англ. М.: Мир, именно с пассивным электродом, а внешние — зарядом 1986. 181 с.

противоположного знака. Такая биполярная структура и [7] Буянов А.В., Павлейно М.А., Стишков Ю.К. // Вестник обусловливает гидродинамическую структуру в области СПбГУ. 2001. Сер. 4. Вып. 2 (№12). С. 109–114.

за пассивным электродом в виде двух потоков, повторяющих структуру „боковых струй“ встречных электрогидродинамических течений [7]. В случае встречного течения две противоположно заряженные струи раздваиваются в месте встречи и образуются боковые струи, в которых жидкость движется параллельно-струйно, не перемешиваясь. Поскольку биполярная структура боковых струй встречных течений очевидна, то логично предположить, что при трансформации встречного течения в сквозное, биполярная структура „боковых струй“ сохраняется. Аналогично сохраняется и область активной рекомбинации заряда, однако она оказывается за пределами межэлектродного промежутка. В этом случае становится понятной структура течения в области за электродом. Заряд, поступающий с активного электрода в области за пассивным электродом, в целом уравновешивается зарядом с пассивного электрода. За электродом струя, имеющая биполярную структуру, в целом не испытывает действия электрических сил и спад скорости происходит преимущественно под действием вязких сил. По мере движения заряды противоположных знаков притягиваются друг к другу и рекомбинируют.

Этому процессу мешает молекулярное окружение ионов.

Из-за взаимного притяжения ионов и достаточно долгого процесса их рекомбинации заэлектродная струя жидкости сохраняет почти постоянными свои поперечные размеры, что хорошо видно из рис. 1.

Заключение Описанные выше свойства сквозного электрогидродинамического течения делают его особенно привлекательным для использования в различных электрогидродинамических устройствах, так как в нем реализованы оптимальные условия для преобразования электрической энергии в гидродинамическую, что имеет большое прикладное значение, ибо открывает новое направление в конструировании электрогидродинамических устройств, отличительной особенностью которого являются рациональный подбор свойств границы раздела электрод-жидкость и учет особенностей зонной структуры электрогидродинамических течений.

Журнал технической физики, 2004, том 74, вып.




© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.