Исследование условий развития вихревых движений и тепловой конвекции в горизонтальном слое жидкости с электрически заряженной свободной поверхностью

• Автор: Козин, Александр Васильевич
• Шифр специальности: 01.02.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2011
• Место защиты: Ярославль
• Количество страниц: 146 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
Введение
Глава 1. Литературный обзор
1.1. Типичные неустойчивости, развивающиеся в жидкости с горизонтальной свободной поверхностью
1.1.1. Неустойчивость Рэлея-Бенара
1.1.2. Неустойчивость Марангони
1.1.3. Неустойчивость Кельвина-Гельмгольца
1.1.4. Неустойчивость Тонкса-Френкеля>
1.2. Современные работы и приложения
Глава 2. Нетепловые механизмы возбуждения, вихревого движения жидкости вблизи электрически заряженной горизонтальной свободной поверхности, по которой распространяется периодическая волна
2.1. Исследование волнового вихревого движения, вызванного распространением периодических волн по поверхности электрически заряженной жидкости-
2.2. Принцип расчета среднего дрейфового течения, вызванного периодическими, волнами, распространяющимися по поверхности жидкости.
2.3. Исследование дрейфового вихревого течения, вызванного периодическими волнами, распространяющимися по поверхности электрически заряженной вязкой жидкости
2.4. Особенности строения модифицированного дрейфа Стокса, инициируемого периодическими- волнами, распространяющимися по поверхности вязкой заряженной жидкости
Глава 3. Исследование условий развития конвекции в-горизонтальном слое жидкости, подогреваемом со* стороны дна при совместном действии нескольких механизмов дестабилизации равновесного состояния
3.1. Закономерности реализации неустойчивости заряженной свободной поверхности1 горизонтального жидкого слоя, в котором развивается тепловая конвекция
3.2. Влияние эффекта Марангони на условия развития неустойчивости Тонкса-Френкеля
3.3. Анализ влияния движения внешней среды на условия развития термо-конвективной неустойчивости в горизонтальном слое вязкой теплопроводной жидкости
Результаты и выводы
Список литературы

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы. В самых разнообразных академических, технических, технологических и геофизических приложениях приходится иметь дело с электрически заряженной свободной- поверхностью жидкости (Габович 1981; Baily 1974; Коженков 1976; Bogy 1979; Bailey 1986; Дудников 1987; Ширяева 1989; Fenn 1989; Шевченко 1991]). Неустойчивость заряженной поверхности жидкости, возникающая в условиях, когда, электрические пондеромоторные силы на свободной поверхности', преобладают над капиллярными; лежит в основе: принципа функционирования самых различных технических устройств (оборудование: для электрогидродинамического распыления; топлив;, лаков,; красок, инсектицидов; жидко-металлические источники, ионов, коллоидные реактивные: двигатели);, является причиной возникновений; некоторых метеорологических явлений например огней' Св. Эльма (Григорьев 1990, 1994, Ширяева 1989).
Следует заметить, что неустойчивость свободной поверхности жидкости по; отношению избытку поверхностного электрического; заряда,--только: одна наиболее разработанная сторона феномена влияния поверхностного электрического заряда на- динамику движения свободной- поверхности-жидкости; Дестабилизирующее, воздействие электрического заряда на свободную поверхность жидкости, реализуется, только если значение поверхностной' плотности электрического заряда закритично; Например, для воды в нормальных условиях это реализуется; если ее поверхность находится в электрическом поле Е> 25 кВ/см , [Tonks-L., 1935; Френкель. 1936; Taylor G.l. 1965], что в обынных обстоятельствах является довольно большой величиной. В докритических условиях поверхностная плотность электрического заряда является служебным параметром, позволяющим управлять динамикой волнового движения на свободной поверхности: влиять на частоту капиллярноволнового-движения, изменять условия тепло и массопереноса, связанного с волновым движением свободной: поверхности. Эта сторона феномена влияния поверхностного- электрического заряда на динамику движения свободной
поверхности жидкости в настоящий момент исследована весьма слабо и теоретически и экспериментально. В связи со сказанным, разработка аналитической модели влияния электрического заряда на динамику волнового движения на поверхности жидкости при докритических значениях поверхностной плотности заряда представляется весьма актуальной и интересной задачей. Особенный интерес вызывает исследование влияния электрического заряда на вихревые движения, реализующиеся вязкой жидкости, поскольку они отвечают за наиболее важные для приложений эффекты: взаимодействие капиллярно-волнового движения' с пленками
поверхностно-активных веществ [Левич, 1940, 1941, Lucassen-Reynders 1969, Белоножко 1998с]; перенос и перемешивание растворенных в жидкости примесей [Lucassen-Reynders 1969]; взаимодействие капиллярно-волнового движения с релаксирующим вдоль свободной поверхности электрическим зарядом [Melcher, 1968; Григорьев 1997Ь].
Еще одним слабо исследованным вопросом- является- влияние поверхностного заряда на закономерности развития неустойчивостей других типов; которые могут развиваться- в жидкости со свободной поверхностью. Существует некоторая обособленность исследований по каждому отдельно взятому механизму возбуждения неустойчивости в жидком слое. Так, неустойчивость заряженной свободной поверхности по отношению к избытку электрического заряда [Френкель 1936] и не менее важное для приложений явление термо-конвективной неустойчивости [Rayleigh 1916, Chandrasekhar 1961; Гершуни 1972, Шишкин, 1947; Гетлинг 1999], исторически, изучались совершенно независимо друг от друга разными исследователями на жидкостях с различными физическими свойствами. Общий случай, когда развитие неустойчивости вызывается совместно и электрическим- зарядом, дестабилизирующим свободную поверхность, и подогревом жидкого слоя, вызывающим термо-конвективные движения, до сих пор подробно не исследован. Аналогичная ситуация имеет место в отношении совместной реализации явления термо-конвективной неустойчивости и неустойчивости,

Рис.2. Зависимости действительной г = Яе(5) и мнимой со = 1т(Л’) частей комплексной частой и характерной толщины пограничного слоя 8 от значений параметра Тонкса-Френкеля рассчитанные в безразмерных переменных, в которых р = g = у = , при безразмерном значении волнового числа к = 1 и безразмерной вязкости V = 0.5.