Дослідження гідродинамічних і теплофізичних процесів в середовищах, які намагнічуються. Формування електрогідродинамічних течій та теплопереносу в електричних полях на основі теорії процесів електризації та зарядостворення в слабкопровідних середовищах.
Аннотация к работе
Існує ціла низка високоефективних процесів, основою яких є вплив електричного поля на слабкопровідні рідини (рідкі середовища з питомою електропровідністю См/см). Цей підхід дозволив теоретично описати декілька експериментальних ЕГД-явищ, крім процесів токопроходження в розчинах з достатньо високою концентрацією домішки, коли в рідині можуть утворюватися іонні комплекси. Матеріали й результати дисертаційних досліджень доповідались та обговорювались на семінарах кафедри теоретичної механіки Харківського державного університету, на Міжнародній конференції «Сучасні проблеми електрогідродинаміки та електрофізики рідких діелектриків» (Санкт-Петербург, 1994), на Міжнародній конференції «Чисельні методи у гідравліці та гідродинаміці» (Донецьк, 1994), на 14-ій Міжнародній конференції з магнітної гідродинаміки (Юрмала, 1995), на 5-ій Міжнародній конференції з механіки рідини (Єгипет, 1995), на Міжнародній конференції «Моделювання та дослідження стійкості систем» (Київ, 1997), на Міжнародній конференції «Dynamical systems modeling and stability investigations» (Київ, 1999). Після обмірковування співвідношень, які замикають систему ЕГД-рівнянь, приводиться наближений вивід залежності константи рівноваги асоціації Ка від електричного поля, коли Ка знаходиться шляхом чисельного інтегрування наступного виразу: , де Na ? число Авогадро; U(U0) - потенціальна енергія трійника в електричному полі (в рівноважному стані), kb ? константа Больцмана, Т - температура, a - відстань між іонами в іонній парі, R - відстань між іонами, при досягненні якої вони створюють комплексний іон. Розглядаються процеси протікання струму в ППК при te ? t ? tm, де te=e/4PEN0b ~1c - характерний час дрейфу іонів у електричному полі (e - діелектрична проникність, N0 - концентрація домішки в рівновазі, b - характерна рухомість іонів); tm=min{td1=(kd)-1 ~104 c, td2=(k1)-1~103 c}, де td1 - характерний час дисоціації молекули домішки, td2 ? характерний час дисоціації комплексних іонів (kd, k1 ? константи дисоціації).Дисоційно-інжекційна модель провідності рідких діелектриків дозволяє виявити як на якісному, так і на кількісному рівні вплив електричного поля і фізико-хімічних параметрів рідини на закономірності електроконвекційних течій в діелектричних рідинах. Як у сильно-, так і в слабконеоднорідних електричних полях головним механізмом зарядостворення є інжекційний, коли іони генеруються на поверхні електродів згідно з лінійним законом інжекції. Для діелектричних рідин з достатньо високою концентрацією домішки та низькою діелектричною проникністю більш детальне розглядання фізико-хімічних процесів в обємі рідини приводить до необхідності врахування створення комплексних іонів. Отримані результати аналітичного дослідження системи електрогідродинамічних рівнянь з урахуванням комплексостворення дають можливість передбачити характер та закономірності поведінки такої рідини в електричному полі та дозволяють глибше проникнути в розуміння процесів, які відбуваються в рідких діелектриках.
Вывод
Дисоційно-інжекційна модель провідності рідких діелектриків дозволяє виявити як на якісному, так і на кількісному рівні вплив електричного поля і фізико-хімічних параметрів рідини на закономірності електроконвекційних течій в діелектричних рідинах.
Як у сильно-, так і в слабконеоднорідних електричних полях головним механізмом зарядостворення є інжекційний, коли іони генеруються на поверхні електродів згідно з лінійним законом інжекції. Процеси електризації слабкопровідної рідини мають визначальний вплив на гідродинамічні характеристики електроконвекційних течій. Узгодження проведених чисельних розрахунків з використанням коефіцієнтів інжекції, отриманих у результаті обробки вольтамперних характеристик для різних діелектричних рідин, з експериментальними даними є доказом виконання лінійного закону інжекції в рідких діелектриках.
Для діелектричних рідин з достатньо високою концентрацією домішки та низькою діелектричною проникністю більш детальне розглядання фізико-хімічних процесів в обємі рідини приводить до необхідності врахування створення комплексних іонів. Отримані результати аналітичного дослідження системи електрогідродинамічних рівнянь з урахуванням комплексостворення дають можливість передбачити характер та закономірності поведінки такої рідини в електричному полі та дозволяють глибше проникнути в розуміння процесів, які відбуваються в рідких діелектриках.
Запропонована методика розрахунку поля швидкостей та теплопереносу при великих числах Прандтля дозволяє провести кількісну оцінку електричних, гідродинамічних та теплових характеристик різних діелектричних рідин. Показано, що зміна рівня домішкової провідності та рухомостей іонів може приводити до зміни напряму руху рідини, що, в свою чергу, викликає зменшення теплопереносу в слабких електричних полях. Відмічається, що цей ефект після ретельного очищення рідини від домішки може бути усуненим. В сильних електричних полях розрахункові криві залежності теплового потоку від напруги електричного поля збігаються з експериментальними, що вказує на основну роль електроконвекції в розвитку процесів теплопереносу в рідких діелектриках.
Проведено аналіз системи рівнянь електрогідродинаміки при уніполярній інжекційній провідності слабкопровідної рідини в примежовому шарі з неавтономним рівнем інжекції. Отримано, що функціональні залежності параметрів теплообміну (зокрема числа Нуссельта) від рівня інжекції і напруженості електричного поля, які спостерігаються на практиці, мають місце і у випадку уніполярної інжекційної провідності з неавтономним рівнем інжекції.
Відмічається, що для подальшого розвитку та застосування одержаних результатів на практиці необхідно проведення більш детального та систематичного дослідження домішкового складу слабкопровідних рідин, уточнення кінетики приелектродних реакцій, а також обчислення констант цих реакцій. Ця інформація може стати основою подальшої верифікації моделі і дасть можливість намітити шляхи її удосконалення.
Список литературы
Zhakin A.I., Tropina A.A. Electroconvection and heat transfer in liquid dielectrics // Proceedings of the Fifth International Conference of Fluid Mechanics. - Cairo(Egypt). - 1995. - P.857-862.
Тропина А.А. Исследование зарядообразования в жидких диэлектриках // Авиационно-космическая техника и технология. - 1998. - Вып.7. - С. 35-40.
Tropina A.A. The influence of direct electric field on the convective heat transfer in liquid dielectrics // Авиационно-космическая техника и технология. - 1998.-Вып.7.-С. 18-22.
Tropina A.A. Non-uniform fields in liquid dielectrics // Вісник Харківського університету. Сер. фізична. - 1999. - Вип.2. - №443. - С. 65-70.
Tropina A.A. Numerical investigation of the heat transfer in the poorly conducting liquid with linear law of injection // Вестник ХГУ. Сер. «Математика, прикладная математика и механика». - 1999. - №444. - С. 142-148.
Тропина А.А. Электроконвективный теплоперенос в системах с несимметричными электродами // Тр. Межд.конф. «Численные методы в гидравлике и гидродинамике «. - Донецк. - 1994. - С. 73.
Tropina A.A. Numerical investigation of electroconvection heat transfer for cylinder-plane electrode system // Proc. on the 14-th International Riga Conference of Magnetohydrodynamics. - Yurmala (Latvia). - 1995. - P.39-40.
Тропина А.А. Моделирование процессов ассоциации в жидких диэлектриках // Thesis on International Conf.reports ‘Modelling and investigation of system stability». - Киев. - 1997. - С. 135.