Моделирование структуры ЭГД-течений в несимметричной системе электродов, страница 14

Влияние размеров межэлектродного промежутка на кинематику ЭГД течений

Введение.  В предыдущих наших работах был предложен алгоритм моделирования ЭГД течений методом конечных элементов в пакете моделирования ANSYS [1,2]. Моделирование проводится в системе провод над плоскостью, причем под размером МЭП понимается  расстояние от нижней кромки цилиндрического электрода до плоскости пассивного электрода.  По результатам экспериментальных исследований и компьютерного моделирования выявлена зонная структура ЭГД-течений и показано, что зона ускорения жидкости, имеет экстремум, отстоящий от поверхности электрода. Экстремальный характер зон ускорения связан с наличием приэлектродных областей пониженного давления. Показано, что размеры зон ускорения коррелируют с размерами активного электрода. Предшествующие исследования проведены для случая, когда размер межэлектродного промежутка существенно превышает размеры зоны ускорения.

    С научной и практической точки зрения представляет интерес исследования процесса формирования течений, когда размеры зон ускорения жидкости близки к размерам МЭП. Это позволит оценить влияние приэлектродных зон на структуру течения.

Результаты компьютерного моделирования сравниваются с экспериментальными данными, полученными ранее и опубликованными в работе [3]. Как и в работах [1,2] нами рассматривается система электродов провод над плоскостью, размеры модели совпадают с размерами экспериментальной кюветы. В качестве исследуемой жидкости выбрано трансформаторное масло. Радиус активного электрода r₀ = 0.5 мм, приложенное напряжение 20 кВ.

В данной работе представлены результаты численного исследования изменения структуры течения при изменении межэлектродного расстояния l₀ от 0.5 мм до 12 см, что перекрывает диапазон изменения относительных расстояний d = l₀/r₀ от 240 до 1.

Алгоритм расчета. Подробно алгоритм моделирования описан в работе [1].  Он основан на последовательном решении двух задач – электрической и гидродинамической. В первой задаче определяется распределения электрического поля и плотности электрических сил при заданных напряжении и распределении объемного заряда. Во второй по заданному распределению электрических сил вычислялось распределение скоростей и давления при течении. При этом предполагается, что ионы «вморожены» в жидкость, т.е. их движе

 

нием относительно жидкости можно пренебречь. Путем сравнения полученных результатов с экспериментальными распределениями скоростей ЭГД течения было выявлено, что распределение заряда имеет следующую структуру: вокруг цилиндрического электрода имеется тонкий (порядка 0.1 мм) слой заряженной жидкости, внутри межэлектродного промежутка оно имеет вид тонкой полоски, простирающейся от цилиндрического электрода к плоскому. Имеется небольшое спадание плотности заряда внутри полоски по мере его продвижения к плоскому электроду. В [1] показано, что у активного электрода: , эта зависимость использована в нашей модели.

Результаты моделирования.

На рис.1 приводится зависимость максимальной скорости в центральной струе ЭГД-течения от размера межэлектродного промежутка при постоянном напряжении. Эта зависимость имеет максимум при l₀= 5 мм (l₀-длина межэлектродного промежутка).

Рис.1 Зависимость максимальной скорости ЭГД течения от величины межэлектродного промежутка.

Аналогичная экстремальная зависимость скорости течения от размера межэлектродного промежутка обнаружена ранее экспериментально [3]. Совпадение касается не только характера кривых, но и местоположения максимума. Разобьем зависимость на две части: аномальную область 1 малых МЭП l₀< 5 мм, и нормальную область 2: l₀> 5 мм. В нормальной области спад скорости обусловлен падением средней напряженности электрического поля при увеличении длины МЭП, а в аномальной спад скорости происходит на фоне роста средней напряженности поля. Следует заметить, что в аномальной области происходит также спад эффективности ЭГД-преобразования, т.е. отношения кинетической энергии ЭГД-течения к затрачиваемой электрической энергии. Для объяснения особенностей зависимости рис.1 проанализируем результаты моделирования.