Исследование неустойчивости и диспергирования заряженных менисков и струй диэлектрических жидкостей

• Автор: Белов, Павел Анатольевич
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Курск
• Количество страниц: 126 с. : ил.

Оглавление
Введение
Г лава 1. Аналитический обзор физико-химических и
электрогидродинамических взаимодействий в жидких диэлектриках
1.1 Введение
1.2 Электростатическая эмиссия заряженных капель и струй
1.3 Характеристики жидкостей, используемых в экспериментальных исследованиях
1.4 Структура ионных комплексов и ассоциатов в жидких растворителях
1.5 Задачи исследования
Глава 2. Теоретические исследования ионной структуры поверхности и ЭГД устойчивости струй при произвольной скорости релаксации зарядов
2.1 Ионная структура свободной поверхности
2.2 Сольватация ионов в безграничной среде на основе модели средней поляризации.
2.3 Баланс зарядов на свободной поверхности. Поверхностная проводимость
2.4 Основная система уравнений со свободной поверхностью
2.5 Решение неустойчивости заряженных струй с мгновенной релаксацией заряда
2.6 ЭГД неустойчивость токовых струй
2.7 Выводы к главе
Глава 3. Методика экспериментальных исследований
3.1 Описание экспериментальных установок
3.1.1 Описание экспериментальной установки по исследованию заряженных менисков..
3.1.2 Описание экспериментальной установки по исследованию заряженных струй
3.2 Методика проведения эксперимента
3.2.1 Методика проведения эксперимента по исследованию заряженных менисков
3.2.2 Методика проведения эксперимента по исследованию заряженных струй
3.3 Силы, действующие на свободную поверхность заряженной жидкости
3.4 Методика расчета гидравлической системы и определение скорости истечения
на примере водной струи
3.5 Выводы к главе
Глава 4 Экспериментальные исследования заряженных менисков
4.1. Жидкости с быстрой релаксацией заряда
4.1.1 Водные растворы
4.1.2 Влияние вязкости
4.1.3 Влияние поверхностного натяжения

4.2 Жидкости с медленной релаксацией заряда
4.2.1 Касторовое масло
4.2.2 Подсолнечное масло
4.3 Выводы к главе
Глава 5 Экспериментальные исследования заряженных струй
5.1. Жидкости с быстрой релаксацией заряда
5.1.1 Водные растворы
5.1.2 Влияние вязкости
5.1.3 Влияние поверхностного натяжения
5.2 Жидкости с медленной релаксацией заряда
5.2.1 Касторовое масло
5.2.2 Подсолнечное масло
5.3 Выводы к главе
Заключение
Список литературы
Приложение А

Введение
Актуальность темы. Современный интерес к электрогидродинамике и, в частности, к заряженным менискам и струям связан со многими приложениями науки и техники. Задачи электрогидродинамики микро- и наномасштабов привлекают большое внимание исследователей в связи с широкой областью их применения, в основном, в нано- и биотехнологиях. В частности, распыление топлива, нанесение покрытий, струйной печати, капельного охлаждения, обработки растений химикатами и во многих других.
Несмотря на то, что еще в XIX веке Рэлей впервые провел аналитическое исследование устойчивости заряженной капли идеальной электропроводной жидкости по отношению к бесконечно малым возмущениям ее формы и дальнейшее современное теоретическое изучение заряженных капель и струй, в настоящее время по данной научной проблеме не существует точной, последовательной теории, объясняющей столь сложное поведение жидкостей со свободными поверхностями. Вместе с тем, свойства реальных жидкостей могут существенно отличаться от модельных представлений. Добавки примесей к жидкости способны в ряде случаев существенно изменять характер течения, замедляя или наоборот ускоряя распад.
Большинство современных ЭГД моделей основываются на быстрой релаксации зарядов, что при исследовании жидкостей с медленной релаксацией зарядов (жидкие диэлектрики) приводит к весьма сомнительным и противоречивым выводам. Так, в обзоре [1] утверждается, что при малых радиусах капель в ЭГД неустойчивости, определяющую роль играет вязкость жидкости, тогда как, например, при быстрой релаксации зарядов порог неустойчивости определяется предельным зарядом Рэлея, а вязкость определяет только декремент нарастания возмущений. Неустойчивость капель воды, исследуемая в ряде работ [2-4], рассматривается с позиций идеального диэлектрика, а образование диспергирующих микроконусов

Хотя молекула воды может быть эффективно представлена как диполь, дифрактометрические данные [96] однозначно указывают на ее квадрупольный характер (рис. 1.13).
Симметрия молекулы воды С2У предполагает наличие трех составляющих квадрупольного момента. Кластеризация воды представляет собой процесс формирования тетраэдров (рис. 1.14, а) с одной молекулой воды в центре [106].
Свободные
водорода
Рисунок 1.13 - Схематическое представление молекулы воды как эффективного квадруполя [96]
Представления о тетраэдрической координации были впервые сформулированы Дж.Берналлом и Р.Фаулером (1933 г.) [105]. К этому заключению достаточно надежно приводят данные нейтронной дифрактометр ии и колебательной спектроскопии. Тетраэдры
стабилизированы водородными связями и относительно слабо коррелируют между собой. Именно такой характер кластеризации определяет наряду с диполь-дипольными взаимодействиями электростатической природы высокую диэлектрическую проницаемость воды. При растворении неполярных веществ молекулы воды образуют вокруг них сложные многогранники, стабилизируемые водородными связями. Типичны, в частности, пентагональные додекаэдры (рис. 1.15, б), в объеме которых находится полость размером около 0,5 нм. Установлена также возможность кластеризации таких многогранников (рис. 1.15, в), которые формируют стабильные кристаллогидраты в жидком состоянии [105].