Электроконвекция диэлектрических и слабопроводящих жидкостей

• Автор: Ильин, Владимир Алексеевич
• Шифр специальности: 01.02.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2006
• Место защиты: Пермь
• Количество страниц: 137 с. : ил.

1. ВВЕДЕНИЕ
1.1. Обзор литературы
1.1.1. Электроконвекция жидких диэлектриков
1.1.2. Динамические режимы
1.2. Общая характеристика диссертации
2. ЭЛЕКТРОКОНВЕКЦИЯ ИДЕАЛЬНОГО ЖИДКОГО ДИЭЛЕКТРИКА
2.1. Постановка задачи
2.2. Слабонелинейный анализ
2.3. Маломодовая модель электроконвекции идеального жидкого диэлектрика
2.3.1. Невесомость
2.3.2. Нагрев сверху в поле тяжести
3. МАЛОМОДОВАЯ МОДЕЛЬ ЭЛЕКТРОКОНВЕКЦИИ СЛАБОПРОВОДЯЩЕЙ ЖИДКОСТИ
3.1. Постановка задачи
3.2. Модель электроконвекции слабопроводящей жидкости
3.3. Случай мгновенной релаксации заряда
3.3.1. Постоянное поле
3.3.2. Переменное поле
3.4. Учёт конечного времени релаксации заряда в постоянном поле
4. НЕЛИНЕЙНАЯ ДИНАМИКА ЭЛЕКТРОКОНВЕКТИВНЫХ СТРУКТУР СЛАБОПРОВОДЯЩЕЙ ЖИДКОСТИ
4.1. Постановка задачи
4.2. Численный метод
4.3. Стационарные и колебательные режимы электроконвекции
5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. ВВЕДЕНИЕ
Под действием гравитационных сил, благодаря пространственной неоднородности плотности жидкости или газа, могут возникать конвективные движения. Если неоднородность плотности вызвана неравномерным нагревом, то это движение называется термогравитационной конвекцией (или свободной тепловой конвекцией). При определённых условиях жидкость или газ остаются в механическом равновесии (т. е. в них отсутствуют макроскопические движения), не находясь при этом в тепловом равновесии. Это происходит, когда градиент температуры направлен вертикально, а величина его постоянна. В том случае, когда вертикальная величина неоднородности температуры превышает некоторое критическое значение, равновесие становится неустойчивым и начинается конвекция. Конвективные движения могут возникать и при сколь угодно малых неоднородностях температуры, если не выполняются условия равновесия жидкости.
Проблема конвективной устойчивости является одной из важных проблем гидродинамики (механики жидкости и газа) [1-4]. Конвекция служит источником атмосферных и океанических движений, объясняет процессы, происходящие в мантии Земли, недрах и оболочках звёзд; конвекция жидкостей и газов, обладающих электропроводностью, приводит к генерации магнитных полей космических объектов.
В электрическом поле движение жидкости возможно, как в изотермическом случае, так и при неоднородном нагреве. Такие движения называют электроконвекцией. Электрическое поле может модифицировать порог тепловой конвекции благодаря действию специфических электроконвективных механизмов неустойчивости, связанных с различными способами образования электрического заряда в жидкости. Взаимодействие свободных зарядов с внешним полем может привести к возникновению конвекции жидкости даже в невесомости. Электроконвекгивные явления обнаруживаются в средах, допускающих возможность существования в них достаточно сильных электрических полей. Иными словами, они наблюдаются в жидкостях, которые на практике считаются изоляторами (трансформаторное масло, бензол, фреон, дихлорэтан, керосин и другие).

Движение в диэлектрических жидкостях при наличии в них электрических полей было обнаружено и исследовано ещё Майклом Фарадеем [5]. В конце XIX -в начале XX столетий были начаты исследования свойств и движений диэлектриков на высоком экспериментальном уровне, в частности с применением теневых оптических методов. В последующие годы пытались выяснить причины и механизмы изотермической электроконвекции (в монографии [6] дан обзор этих работ). После выяснения роли неоднородностей среды в электрогидродинамических явлениях основное внимание стало уделяться вопросам электротермической конвекции. Начиная с 60-х годов XX века, в результате поисков магнитогидродинамических аналогов в области электричества, возникло и успешно развивается новое направление в физике - электрогидродинамика (ЭГД). Основоположником ЭГД в нашей стране принято считать Г. А. Остроумова [7]. На сегодняшний день вопросами электроконвекции занимается множество исследователей за рубежом и в России.
Поведение гидродинамических систем в постоянном и переменном электрическом поле имеет ряд особенностей, имеющих важное значение, как для фундаментальной науки, так и для многочисленных приложений. Параметрическое воздействие на жидкость может приводить либо к подавлению конвективных движений, либо к их динамическому возбуждению, либо к переходу от одного режима движения к другому. Резонансные явления, связанные с резким понижением порога конвекции, а также резкое усиление или ослабление интенсивности электрокон-вективных надкритических движений возможны при определённом соотношении между амплитудой и частотой модуляции электрического поля. При больших над-критичностях могут возникать различные режимы движений жидкости, включая бегущие волны с постоянной амплитудой или амплитудно-модулированные бегущие волны.
Исследование влияния электрического поля на конвективные течения актуально с практической точки зрения в связи с проблемой управления конвекцией и тепло - и массопереносом в различных технологических ситуациях. В частности, эти исследования важны благодаря возможности более эффективного управления движением диэлектрических жидкостей в электрогидродинамических насосах, и в других электрогидродинамических устройствах.

Рис. 2.2. Фазовые портреты на плоскости (а,а): в < 0, у2> 0 (а)> <2 < 0, уг < 0 (б), й > 0, уг< 0 (в), (7 > 0, у2 > 0 (г)
1 а
N
/ / а
Рис. 2.3. Стационарная амплитуда в зависимости от у2 в случаях жёсткой С < 0 (а) и мягкой й > 0 (б) неустойчивости