Описание лабораторной работы "Исследование электрогидродинамических течений в жидких диэлектриках", страница 6

4. Компьютерное моделирование ЭГД-течений.

Имеется ряд работ, посвященных компьютерному моделированию ЭГД-течений. При моделировании ЭГД-течений мы имеем дело с рядом особенностей. Во-первых, это существенная роль распределенного электрического заряда. Распределения электрического поля в этом случае имеет особенности, которые практически не изучены и представляют самостоятельный интерес. Во-вторых, гидродинамические течения вызываются объемной электрической силой. В классической гидродинамике такие течения также сравнительно мало изучены. Для компьютерного моделирования ЭГД-течений используются программные комплексы ANSYS и FEMLab. В работах [18,19] показан механизм формирования заряженных струек жидкости в системе провод-провод и провод-плоскость. Установлено, что заряженная струйка имеет вид тонкой полоски, проходящей вдоль центральной оси ЭГД-течения. Электрогидродинамические течения вызываются объемной электрической силой, которая сосредоточена в пределах заряженной струйки, текущей от активного электрода к пассивному.

Как уже отмечалось выше, в классической гидродинамике течения с объемной силовой нагрузкой сравнительно изучены мало. Поэтому ряд численных экспериментов посвящен выявлению свойств течений, обусловленных однородной объемной силой, приложенной к условной узкой области в свободной жидкости и в жидкости с твердыми вставками, моделирующими электроды. В пределах струйки сила однородна и имеет только соосную со струйкой составляющую (см. рис 4.1.).

Рисунок 4.1. Распределение скорости (слева) и давления (справа) в задачах по моделированию течений с объемной силовой нагрузкой в свободной жидкости (верхний ряд), в жидкости с твердыми вставками, моделирующими электроды (средний ряд) и при замене одной вставки на стену (нижний ряд). Прямоугольной полоской обозначена область приложения объемной силовой нагрузки.

Целью экспериментов являлось выявление структуры течения в пределах зоны действия объемных сил и вне неё. На рис. 4.1. приведены контурные графики давления (справа) и скорости течения (слева) в свободной жидкости и при наличии круговых вставок. В свободной жидкости (верхний ряд) наблюдаются области пониженного и повышенного давления в левой и правой части полоски приложения сил. В области приложения сил формируется струйка жидкости, ускоряющаяся на участке действия сил. Особенностью течения с объемной нагрузкой является то, что течение направлено из области пониженного давления в область повышенного. При добавлении твердых вставок (средний ряд) картина усложняется: у левой вставки, по-прежнему, сохраняется область разряжения, а у правой вставки область сжатия локализуется в лобовой части вставки, струйка раздваивается, обтекая вставку. При замене вставки на стенку (нижний ряд) появляются боковые струи. В остальном картина сохраняется.

На рис. 4.2 приведены линейные графики скорости и давления вдоль оси X.

Рисунок 4.2. Распределения скорости (слева) и давления (справа) вдоль оси Х в задачах по моделированию течений с объемной силовой нагрузкой в свободной жидкости (верхний ряд), в жидкости с твердыми вставками, моделирующими электроды (средний ряд) и при замене одной вставки на стену (нижний ряд).

При отсутствии вставок (верхний ряд) вдоль области приложения сил скорость возрастает, на границах области наблюдаются скачки давления: отрицательного в начале области и положительного в конце. Введение вставок приводит к появлению асимметрии: область повышенного давления по ходу течения возрастает, появляется торможение жидкости у преграды.

Так же были проанализированы графики производных скорости по пространственным координатам, представленные на рис. 4.3.

Видно, что между преградами производная по координате Х постоянна вдоль направления струйки и испытывает рост и убывание в начале и конце области приложения сил, соответственно. Что касается поперечной производной (по координате Y), то она претерпевает изломы на границах области действия силы на жидкость, что является отличительным признаком перехода от силового течения внутри струи, к вязкому - снаружи. Этот эффект можно использовать для определения реальной области приложения сил в течениях с объемной нагрузкой.