Электрогидродинамические автоколебательные процессы на концентраторах тока в электролите

• Автор: Медведев, Руслан Николаевич
• Шифр специальности: 01.02.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2012
• Место защиты: Новосибирск
• Количество страниц: 128 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. АВТОКОЛЕБАНИЯ НА ОДИНОЧНОМ КРУГЛОМ КОНЦЕНТРАТОРЕ ТОКА
1.1 Описание явления и обзор литературы
1.2 Экспериментальная установка
1.3 Результаты экспериментов
1.4 Распределение удельной мощности в электролитической ячейке
1.5 Электрическое сопротивление системы с концентратором тока
1.6 Расчет времени нагрева до образования пузырька
1.7 Расчет эффективности преобразования электрической энергии в энергию пульсации пузырька
1.8 Расчет периода пульсаций тороидального пузырька в адиабатическом приближении
1.9 Приближенный расчет роста тороидального пузырька с учетом испарения со стенок
1.10 Выводы по ГЛАВЕ
ГЛАВА 2. МЕХАНИЗМ САМОСИНХРОНИЗАЦИИ АВТОКОЛЕБАНИЙ НА МНОЖЕСТВЕННЫХ КРУГЛЫХ КОНЦЕНТРАТОРАХ ТОКА
2.1 Общее описание явления
2.2 Постановка экспериментов
2.3 Механизм самосинхронизации на двух концентраторах тока
2.4 Автоколебания на множественных концентраторах тока
2.5 Выводы по ГЛАВЕ
ГЛАВА 3. АВТОКОЛЕБАНИЯ НА ЛИНЕЙНЫХ И КОЛЬЦЕВЫХ КОНІ І.ЕНТР ATOP АХ
ТОКА
3.1 Экспериментальная установка
3.2 Результаты экспериментов
3.3 Анализ результатов
3.4 Выводы по ГЛАВЕ
ГЛАВА 4. АППРОБАЦИЯ ЭФФЕКТИВНЫХ ПРИЛОЖЕНИЙ
4.1 Обеззараживание
4.2 Спектральный анализ
4.3 Инициирование физико-химических реакций
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Список литературы

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность работы
Электрические разряды и плазменные образования в проводящих средах на сегодняшний день находят широкое применение в науке и промышленности для обработки поверхностей, получения наночастиц, обеззараживания жидкости, инициирования хим. реакций и т.д.
Одним из режимов низковольтных (до 1кВ) разрядов в проводящих жидкостях является автоколебательный режим. Его характерное отличие заключается' в том, что за счет локального увеличения плотности тока энергия разряда концентрируется в малых областях электролита - на концентраторах тока, что позволяет выделять энергию в заданных областях, увеличивая локальную плотность энергии.
Автоколебательный режим характеризуется импульсным током при постоянном приложенном напряжении, что объясняется образованием и пульсацией пузырьков на концентраторах тока. Данный режим был обнаружен более ста лет назад [1], но до сих пор отсутствует теоретическое описание явления из-за недостаточной изученности физических процессов происходящих на концентраторах тока.
Обнаруженный эффект самосинхронизации автоколебаний на множественных концентраторах тока позволяет синхронизировать пульсации пузырьков при параллельном включении в цепь большого числа (ЛМСН-10 ) концентраторов тока, что является важным результатом для задач генерации ударных волн заданного профиля и частоты. Данный эффект позволяет генерировать плазму в пузырьках саморегулирующимся образом в заданных областях пространства и локализовать процессы плазменной обработки и инициирования хим. реакций.
Значительное количество работ показывает прикладную ценность низковольтных разрядов в электролитах на концентраторах тока в целом, и в автоколебательных режимах, в частности [2]. В связи с этим необходимо

исследовать автоколебательные процессы в электролите с привлечением теоретических моделей, а также процессы самосинхронизации автоколебаний для выявления механизмов.
Результаты данной работы позволили описать такой класс автоколебательных систем, как электрогидродинамические автоколебания не только на качественном уровне, но и количественно. Исследования низковольтного разряда в проводящей жидкости с точки зрения
электродинамики, термодинамики и теплофизики представляют ценность для многогранного изучения электрогидродинамических процессов в целом и автоколебательных режимов в частности. Возникающие при синхронном многоочаговом автоколебательном процессе кооперативные эффекты представляют наибольший интерес для теоретических и технических разработок.
Автоколебательные процессы при низковольтных разрядах в
электролитах представляют практическую важность для задач генерации акустических волн в жидкости заданной частоты. Так же процессы,
происходящие на концентраторах тока, могут быть применены для обеззараживания, эмиссионного спектрального анализа жидкостей, инициирования физико-химических реакций, обработки поверхностей, получения наночастиц.
Период автоколебаний и область их существования - одни из самых важных параметров, которые играют первостепенную роль для
конструирования прикладных устройств. На сегодняшний день не существует даже приближенных теоретических формул, описывающих зависимости периодов автоколебаний от параметров, таких как размер концентратора тока, прикладываемое напряжение, свойства электролита и т.д. Эмпирически полученные зависимости учитывают изменение только одного параметра, например, напряжения, температуры или размера концентратора и при варьировании остальных могут существенно меняться.

Чтобы определить порог возникновения пузырька на концентраторе по выделяемой мощности, необходимо рассчитать насколько быстро происходит необходимый нагрев электролита у кромки концентратора тока.
Для этого проводилось численное решение неоднородного уравнения нестационарной теплопроводности в той же геометрии, что и в п. 1.4.
Запишем уравнение теплопроводности с учетом источников тепла:

р~ы~х
1 д дТ' д2Т~ _1
гдг &2
= 4,
(1.13)
где С - теплоемкость, р - плотность, х - теплопроводность жидкости. Введем безразмерные величины температуры и времени:

аи2 ’ Сра1
Тогда, с учетом безразмерной удельной мощности, определенной в 1.4, уравнение (1.13) приводится к безразмерному виду:
/ =/-
(1.14)
дТ 1 д_
дТ х дх

' дх

(1.15)
Решение этого уравнения проводилось численно, с использованием в качестве ц результатов п. 1.4.
Результаты решения при ? = 0,01 (а) и / = 10 (б) для диафрагмы, толщиной И = 0,1, приведены на рис. 1.18.
Рис. 1.18. Распределение температуры Г в разные моменты времени: а)-/ = 0,01; б)- 7= 10.