Описание лабораторной работы "Исследование электрогидродинамических течений в жидких диэлектриках", страница 7

Следующим этапом было моделирование стационарных ЭГД-течений. Область локализации объемного заряда задавалась в виде тонкой струйки, показанной на рис. 4.4 темным цветом, с заряженным кольцом вокруг электрода.

Рисунок 4.4. Распределение объемного заряда. Справа, крупным планом, показано кольцо вокруг электрода.

Электрическое поле в такой системе рассчитывалось, путем решения уравнения Пуассона с распределенным объемным зарядом. На следующем шаге определялось распределение электрических сил, которые использовались в качестве объемной нагрузки в уравнении Навье-Стокса. На рис. 4.5 приведены контурные графики распределения скоростей и давлений полученные при решении уравнений гидродинамики.

Рисунок 4.5. Контурные графики скоростей ЭГД-течения и давлений в жидкости.

На рис. 4.6 представлены линейные графики профилей и осевых распределений скорости ЭГД-течения и производной скорости.

Профиль скорости, её осевое распределение и их производные по пространственным координатам показывают, что областью приложения электрических сил, как и ранее, является тонкая струйка, однако в последнем случае силы спадают вдоль направления течения. Видно качественное соответствие распределений представленных на рис. 4.6. с представленными на рис. 4.3. Однако область ускорения жидкости в ЭГД-течении сосредоточена у активного электрода, имеется область однородного течения. Область торможения не имеет отличий. Профиль скорости ЭГД-течения внутри и снаружи заряженной струи различен, что демонстрирует излом поперечной производной. Таким образом, ЭГД-течение сохраняет основные черты течений с объемной нагрузкой и имеет ряд особенностей.

5. 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 [20] предложен метод визуализации ЭГД-течений, подобный методу визуализирующих включений. Он заключается в том, что в исследуемой жидкости, в малых количествах, растворяется жидкое диэлектрическое флюоресцирующее вещество. 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.