Исследование электрогидродинамических течений диэлектрических жидкостей

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ ТЕЧЕНИЙ

Введение

      Электрогидродинамические течения диэлектрических жидкостей [1] (далее ЭГД-течения) привлекают внимание  прежде  всего тем,  что представляют собой способ прямого преобразования энергии постоянного электрического тока в энергию поступательного движения жидкости.  Основанные  на таком способе  ЭГД-преобразователи  достаточно просты и компактны. В их конструкции отсутствуют твердые движущиеся и трущиеся элементы. Благодаря  этому они обладают почти неограниченным  сроком эксплуатации и практически бесшумны. Таким  образом, они являются довольно перспективными устройствами, особенно в условиях невесомости. В последнее время были разработаны системы теплообеспечения космических объектов на основе ЭГД-устройств. Электрогидродинамические преобразователи нашли применение в криогенной технике. Весьма перспективно использование ЭГД-устройств для точного дозирования жидкостей, а также мелкодисперсного распыления в различных двигательных установках на жидком топливе. Однако расчет и конструирование ЭГД-преобразователей  невозможны без ясного представления о природе  ЭГД-течений. ЭГД-течения существуют в ограниченном диапазоне напряжений [2]. Снизу он ограничен пороговым напряжением, сверху – напряжением, приводящим к пробою жидкости. При напряжении, близком к пороговому, ЭГД-течение не охватывает всего межэлектродного промежутка, а локализовано у активного электрода. Такое течение называется неразвитым. Течение, размеры области локализации которого равны межэлектродному промежутку, называется развитым.                  

1. Метод визуализирующих включений

      При изучении ЭГД-эффектов, таких как ЭГД-течения, исследователи часто сталкиваются с проблемой визуализации этих эффектов. Это непростая задача, так как  ЭГД-течения не видны невооруженным глазом и очень чувствительны к загрязнениям. Существует несколько методов визуализации ЭГД-течений. Один из наиболее часто используемых – это метод визуализирующих включений. Он заключается в том, что в жидкость вводятся специальные видимые «метки» (например, твердые частицы или пузырьки воздуха).  Эти «метки» двигаются вместе с жидкостью, и по их движению можно судить о характере течения, его скорости, распределении движущих сил в области локализации течения. Этот метод сталкивается с рядом трудностей. ЭГД-течения существуют в условиях высоких электрических полей, напряженностью порядка десятков киловольт на сантиметр, и электрические характеристики материала, из которого сделана метка, имеют большое значение. Если электрическая проводимость метки выше проводимости исследуемой жидкости, то под действием электрического поля метка приобретет электрический заряд, отличный от заряда окружающей жидкости, и ее скорость будет отличаться от скорости течения жидкости. Различие диэлектрических характеристик  взвешенных частиц и окружающей жидкости приводит к тому, что в сильно неоднородном поле частицы также будут двигаться относительно жидкости. На движение взвешенных частиц могут оказывать влияние и другие эффекты и явления, связанные с различными диэлектрическими свойствами частиц и окружающей их жидкости. Все это существенно затрудняет наблюдение ЭГД-течений. Один из способов устранения побочных эффектов состоит в рациональном выборе диэлектрических свойств жидкости и взвешенных частиц как можно более близкими друг к другу. Однако это неизбежно приведет к снижению их отражающей способности, так как последняя пропорциональна относительному показателю преломления.  Если частицы обладают одинаковыми с жидкостью диэлектрическими свойствами, то они будут оптически неотличимы от жидкости. В работе [3] предложен метод визуализации ЭГД-течений, подобный методу визуализирующих включений. Он заключается в том, что в исследуемой жидкости растворяется жидкое диэлектрическое флюоресцирующее вещество (в малых количествах). Авторы утверждают, что добавление этого вещества практически не изменяет электрических свойств жидкости, диэлектрическая проницаемость остается постоянной, а электрическая проводимость исходной жидкости увеличивается не существенно. С помощью такого жидкого самосветящегося диэлектрика можно наблюдать линии тока электрогидродинамического течения жидкости. Основной недостаток этого способа заключается в том, что с течением времени флюоресцирующий растворитель вследствие перемещения и диффузии равномерно заполняет весь объем исследуемой жидкости, т.е. первоначально четкие линии тока «расползаются». Следовательно, его можно использовать лишь ограниченное время. Вторым недостатком является то, что с помощью этого метода невозможно измерить распределение скорости ЭГД-течения.