Теоретические исследования электрофизических процессов в сеточном электрогидродинамическом насосе тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.14, кандидат физико-математических наук Лунев, Сергей Александрович

• Лунев, Сергей Александрович
• кандидат физико-математических наук
• 1998

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Лунев, Сергей Александрович

Оглавление

Введение

Глава 1. Литературный обзор

1.1. Общая характеристика электропроводности жидких диэлектриков

1.2. Аналитический обзор литературы по электрогидродинамике

1.3. Аналитический обзор работ по ЭГД насосам

Глава 2. Анализ ЭГД процессов в жидких диэлектриках с позиций молекулярно-кинетической теории, электрофизические характеристики жидких диэлектриков

2.1. Физический механизм генерации ЭГД течений

2.2. Физические свойства жидких диэлектриков

Глава 3. Расчет характеристик плоского сеточного ЭГД насоса методом

интегральных соотношений

3.1. Постановка задачи

3.2. Решение граничной задачи методом интегральных соотношений

3.3. Расчет характеристик насоса, включенного во внешний замкнутый контур

3.3.1. Случай слабой инжекции ионов

3.3.2. Случай сильной инжекции ионов

3.3.3. Произвольный уровень инжекции ионов

Глава 4. Численное исследование течения в плоском сеточном ЭГД

насосе

4.1. Постановка задачи

4.2. Система уравнений в безразмерных переменных

4.3. Разностная схема для модельной задачи

4.4. Расчет интегральных величин

4.5 Результаты численного моделирования

4.5.1 Исследование структуры ЭГД течений

4.5.2. Электрические характеристики

4.5.3. Определение оптимальных размеров секции ЭГД насоса

4.5.4. Напорно-расходные характеристики

4.5.5. Результаты расчета характеристик ЭГД насосов для различных рабочих жидкостей

4.5.6. Сравнение с экспериментальными данными

4.6. Исследование развития электроконвекции с течением времени.

Численный анализ развития ЭГД неустойчивости

Заключение

Литература

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Теоретические исследования электрофизических процессов в сеточном электрогидродинамическом насосе»

ВВЕДЕНИЕ

Диссертация посвящена исследованию нестационарных электрических и электрогидродинамических (ЭГД) процессов в рабочей секции сеточного ЭГД насоса, перекачивающего слабопроводящие жидкости, проводимость которых имеет порядок 10 См/см. В физической литературе к таким средам относят слабоионизированную плазму и жидкие диэлектрики, в химической - слабые электролиты. Благодаря высокой электрической прочности жидкие диэлектрики используются как изоляторы, поэтому в технической литературе их называют изолирующими жидкостями. В данной работе исследуются электрофизические и ЭГД процессы, происходящие в рабочей секции сеточного ЭГД насоса, методами физической кинетики, механики сплошной среды и численного эксперимента.

Актуальность темы.

В последнее время в области электрогидродинамики ведутся интенсивные исследования, в частности, связанные с изучением электрогидродинамических (ЭГД) течений диэлектрических жидкостей в сильных электрических полях. Они вызваны прежде всего с тем, что с помощью ЭГД течений возможно непосредственное преобразование энергии электрического поля в кинетическую энергию движущейся жидкости.

Использующие этот эффект, так называемые, ЭГД насосы лишены движущихся механических элементов конструкции, вследствие чего они относительно просты в изготовлении, компактны и обладают большим ресурсом работы. Благодаря своим неоспоримым достоинствам ЭГД насосы могут быть использованы в различных технических приложениях, например, в качестве высокоточных дозаторов жидкости, в качестве движителей жидкости в устройствах, предназначенных для охлаждения электронных схем.

Между тем до сегодняшнего дня не достигнуты требуемые практикой показатели эффективности данного класса насосов, что сдерживает их широкое распространение в технических приложениях. К числу основных недостатков ЭГД насосов следует отнести низкие значения КПД, напорного давления и т.д.

Поэтому задача теоретического исследования электрофизических процессов в рабочих секциях сеточных ЭГД насосов, открывающего пути создания их эффективных технических реализаций, является актуальной и перспективной.

Цель работы заключается в теоретическом исследовании и численном моделировании электрофизических процессов в рабочей секции сеточного насоса для разработки методики расчета характеристик ЭГД насосов, а также исследовании электрических и гидродинамических характеристик течений диэлектрической жидкости для расширения сферы практического использования ЭГД эффектов.

Для достижения поставленной цели сформулированы и решены следующие задачи:

1. Разработать методику расчета напорно-расходных характеристик аналитическим методом.

2. Исследовать электрические процессы в рабочей секции ЭГД насоса (изучение характера распределения объемного заряда, распределения напряженности поля и объемной кулоновской силы в межэлектродном пространстве).

3. Выполнить расчет технических характеристик плоского сеточного ЭГД насоса методом численного моделирования.

4. Методом численного моделирования провести анализ характера развития ЭГД течений, исследовать их структуру и связь с распределением кулоновской силы в межэлектродном пространстве.

Научные положения и результаты, выносимые на защиту.

На защиту выносятся следующие результаты, полученные в данной диссертационной работе:

1. Результаты исследования электрофизических эффектов в рабочей секции ЭГД насоса аналитическими и численными методами.

2. Исследование развития ЭГД течений в рабочей секции ЭГД насоса.

3. Методика расчета технических характеристик плоского сеточного ЭГД насоса, включенного в замкнутый внешний гидравлический контур.

Научная новизна заключается в том, что при решении важной теоретической задачи по исследованию электрофизических процессов в сеточном ЭГД насосе впервые:

1. Разработана методика расчета технических характеристик насоса, включенного в замкнутый контур, аналитическим методом.

2. Установлена связь распределения объемной плотности кулонов-ской силы, действующей на ионы, со структурой ЭГД течения жидкости. Проведены комплексные исследования распределения объемного заряда, электрического поля и объемной плотности кулоновской силы, действующей на ионы, в рабочей части сеточного ЭГД насоса при различных напряжениях и уровнях инжекции ионов с эмиттера.

3. Произведены расчеты характеристик ЭГД насоса с учетом влияния внешнего контура. Определены оптимальные режимы работы ЭГД насоса с точки зрения уровня инжекции и геометрических параметров насоса.

Практическая значимость.

Проведенные исследования могут быть использованы при проектировании ЭГД устройств: ЭГД насосов, ЭГД термостатов, ЭГД преобразователей электрического сигнала в механический.

Апробация работы.

Результаты исследований, представленных в диссертационной работе, были доложены на V - Международной конференции по современным проблемам электрофизики и электрогидродинамики жидкостей, проходившей в Санкт-Петербурге в 1998 году, представлены на конференции "Современные проблемы механики и прикладной математики" (г. Воронеж, 1998 год), а также неоднократно докладывались на объединенных семинарах кафедр физики, теоретической и экспериментальной физики Курского государственного технического университета.

Работа выполнена в Курском государственном техническом университете в соответствии с Единым заказ-нарядом Госкомвуза от 11.01.95 г.

Публикации.

Результаты исследований, представленных в диссертационной работе, опубликованы в 6 работах.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 126 страницах машинописного текста, включая 26 рисунков, 9 таблиц и перечень используемой литературы, состоящей из 56 наименований.

Первая глава обзорная. В ней изложены основы современной теории электропроводности жидких диэлектриков и представлены некоторые математические модели, описывающие ЭГД процессы в жидких диэлектриках.

Во второй главе дается вывод системы ЭГД уравнений на основе представлений молекулярной физики и приводятся некоторые электрофизические характеристики жидкостей. Назначение этой главы заключается в анализе электрофизических характеристик жидких диэлектриков как рабочих жидкостей ЭГД насосов.

В третьей главе проводится приближенный аналитический расчет характеристик плоского сеточного ЭГД насоса, включенного в замкнутый гидравлический контур, для случая униполярной инжекционной проводимости жидкости. Анализируется зависимость КПД насоса от мощности инжекции ионов с эмиттера.

В четвертой главе представлены методы исследования ЭГД процессов, происходящих в рабочей секции ЭГД насоса. Методами численного эксперимента проведено исследование электрических характеристик (распределения заряда, напряженности поля, кулоновских сил, действующих на заряд), изучена связь структуры ЭГД течения с распределением кулоновских сил, проанализированы закономерности развития течений жидкостей, а также дан анализ геометрии, позволяющий получить максимальный КПД насоса.

Заключение диссертации по теме «Теплофизика и теоретическая теплотехника», Лунев, Сергей Александрович

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ГЛАВЫ

1. Решена методом конечных разностей система уравнений (4.11 - 4.14), описывающая течение диэлектрической жидкости, обладающей униполярной проводимостью, в рамках прямоугольной геометрии плоского сеточного насоса.

2. Установлено, что при сильной инжекции ионов с эмиттера и отношениях ширины секции насоса к его длине сравнимых с единицей в межэлектродном пространстве образуются интенсивные вихревые течения, сильно снижающие эффективность работы насоса. Как показали расчеты, вихревые течения уменьшаются с уменьшением отношения Ъ1£ и при некотором критическом значении исчезают, так что имеет смысл говорить об оптимальных геометрических размерах насоса с точки зрения эффективности его работы.

3. В развитых течениях жидкости, какими обычно являются течения внутри насоса, заряд переносится в основном движущейся жидкостью, а не электрическим полем.

4. ЭГД течение со временем развивается по сложному сценарию. Оказывается, что при больших значениях числа Со пуазейлевское течение неустойчиво и развиваются вторичные вихревые течения. С физической точки зрения развитие вторичных течений можно объяснить наличием составляющей куло-новской силы, действующей на ионы перпендикулярно диэлектрическим пластинам, вследствие неоднородного распределения заряда вдоль этого направления.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Сформулируем основные результаты и выводы, полученные в диссертационной работе.

1. Разработана методика аналитического расчета характеристик плоского сеточного ЭГД насоса, включенного во внешний замкнутый гидравлический контур. Проведены аналитические исследования методом интегральных соотношений, позволяющим рассчитать такие характеристики насоса, как секундный расход жидкости, развиваемое им давление, КПД. Результаты исследований показали зависимость КПД насоса от уровня инжекции Со. При малых значениях числа Со (Со « 1) насос работает крайне неэффективно, его КПД принимает чрезвычайно малые значения. При больших значениях С0 (С0 »1) КПД системы оказывается гораздо большим, однако максимальные значения КПД достигаются лишь при средних значениях Со. При увеличении длины внешнего контура эффективность перекачки падает.

2. Установлено, что в случае сильной инжекции при наличии ЭГД течения жидкости через насос напряженность электрического поля на эмиттере секции насоса изменяет свой знак. Этот факт объясняется тем, что при наличии течения конвективная составляющая тока оказывается больше миграционной, в связи с чем в межэлектродное пространство сносится больше ионов, нежели в отсутствие течения. Поэтому в случае сильной инжекции поле объемного заряда оказывается больше внешнего вблизи эмиттера, что и приводит к реверсу напряженности электрического поля. Следствием этого эффекта является снижение КПД насоса при сильном уровне инжекции ионов.

3. Проведены исследование течений жидкости в канале плоского сеточного насоса и расчет его технических характеристик численным методом конечных разностей. Исследование установило наличие сложных вихревых течений при отношениях ширины секции насоса к его длине порядка единицы в случаях сильной инжекции. Время выхода течений на стационарный режим достигает нескольких секунд. Стационарные вихревые течения являются, как правило, развитыми, т.е. локализованы в объеме секции насоса. Расчеты показали, что заряд в них переносится, в основном, движущейся жидкостью, а не электрическим полем. С уменьшением ширины секции насоса при ее неизменной длине интенсивность вторичных вихревых течений уменьшается и одновременно происходит качественная перестройка структуры течения. При некотором критическом значении ширины секции замкнутых вихревых течений не наблюдается, и течение становится близким к пуазейлевскому. Представленные зависимости критических значений Ы£ от уровня инжекции Со могут быть использованы при проектировании сеточных ЭГД насосов для повышения эффективности их работы.

4. Численными расчетами установлено, что в случае сильной инжекции ионов с эмиттера пуазейлевское течение жидкости, как правило, неустойчиво, вследствие чего развиваются вторичные течения. Установлено, что развитие вторичных течений в межэлектродном пространстве обусловлено неоднородностью распределения объемного заряда вдоль направления, перпендикулярного диэлектрическим пластинам.

В заключение автор выражает глубокую благодарность научному руководителю А.И. Жакину за помощь, оказанную при подготовке диссертации.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Лунев, Сергей Александрович, 1998 год

ЛИТЕРАТУРА

1. Ахиезер А. И. Общая физика: Электрические и магнитные явления (справочное пособие). Киев: Наукова думка, 1981,471 с.

2. Бродский А.М., Гуревич Ю.Я. Теория электронной эмиссии из металлов М.: Наука, 1973, 255 с.

3. Жакин А.И. О расчете электроконвективных течений. Труды 2-го Всесоюзного семинара по гидромеханике и тепломассообмену в невесомости //Тезисы докладов. Пермь, 1981, с. 53-54.

4. Жакин А.И. Редокс-системы в электрогидродинамике и расчет электрогидродинамических течений //Магнитная гидродинамика. 1982, N2, с. 70-78.

5. Жакин А.И. Электрогидродинамика жидких диэлектриков на основе диссо-циационно-инжекционной модели проводимости //Изв. АН СССР, Механика жидкости и газа, 1986, N4, с. 3-13.

6. Жакин А.И. Теория электрических и электрогидродинамических явлений в слабопроводящих средах. Докторская диссертация, Харьков, Изд-во ХГУ, 1990, 430 с.

7. Zhakin A.I. Electrohydrodynamics:basic conceps, problems and applications. Kursk: University Press, 1996, 133 p.

8. Little R.P., Whithney W.T. Electron emission preceding electrical breakdown in vacuum//J. Appl. Phys. 1963, vol. 34, p. 2430-2432.

9. Стишков Ю.К., Остапенко A.A. Электрогидродинамические течения в жидких диэлектриках. Ленинград, Изд-во ЛГУ, 1989,176 с.

10.Felici N.J. D. С. conduction in liquid dielectrtics (Part I) //Direct Current, 1971, vol. 2, p 90-99.

11.Felici N.J. D. C. conduction in liquid dielectrtics (Part II) //Direct Current, 1971, vol. 2, p 147-165.

12.Жакин А.И. Влияние механизмов проводимости на структуру электроконвективных течений //Вестник ХГУ, Механика и управление динамических систем. 1987, N247, с. 7-19.

13.Жакин А.И. Перспективы использования редокс-систем в электрогидродинамике //Электронная обработка материалов, 1988, N2, с. 34-53.

14.Жакин А.И. Развитие электроконвекции в жидких диэлектриках //Изв. АН СССР, Механика жидкости и газа, 1989, N1, с. 34-42.

15.0nsager L. Deviation from Ohm's law in weak electrolyters //J. Chem. Phys., 1934, vol. 2p. 599-615.

16.Никифоров А.Ф., Уваров B.B. Основы теории специальных функций. М.: Наука, 1974, 304 с.

17.Жакин А.И. Механика сплошных сред. Лекции по дополнительным главам. Харьков. Изд-во ХГУ, 1993, 188 с.

18.Болога М.К., Гросу Ф.П., Кожухарь И.А. Электроконвекция и теплообмен. Кишинев, Изд-во, Штиинца, 1977, 320 с.

19. Warburg Е. Anual der Phys. 1895, Bd. 54.

20.Guemant A. Electrost. Zs. 1929, Bd. 34,1225.

21.Hofmann R. Zeitschrift fur Phus. 1934, Bd. 92, 759-795.

22.Остроумов Г. А. К вопросу о гидродинамике электрических разрядов //Журнал технической физики. 1954, т. 24, N10, с. 1915-1919.

23.Остроумов Г. А. Взаимодействие электрических и гидродинамических полей. М. Наука, 1979, 319 с.

24.AvsekD. Compt. Rend. Acad. Sei, Paris, 1969, vol. 209, p. 830-832.

25.Литовский Е.И., Апфельбаум M.C. О насосном действии тонкого высоковольтного электрода в слабопроводящей диэлектрической жидкости //Журнал технической физики, 1980, N750, с. 1511-1520.

26.Стишков Ю.К., Остапенко A.A., Макаров П.А. - Электрогидродинамические преобразователи//Магнитная гидродинамика, 1982, N2, с. 120-125.

27.Рубашов И.Е., Бортников Ю.С. Электрогазодинамика. М., Атомиздат, 1971, 169 с.

28.Денисов A.A., Нагорный B.C. Электрогидро- и электрогазодинамические устройства автоматики //Ленинград, 1979, 288 с.

29.Янтовский Е.И., Апфельбаум И.С., Скуратовский Н.О. Экспериментальное исследование ЭГД насосов и сравнение с расчетом //В кн. IX Рижское совещание по магнитной гидродинамике, Рига: Зинатне, 1978, том 1, с. 184-185.

30.Stuetzer О.М. Ion-Drag Pressure Generation //J. of Applied Phys. 1959, vol. 30, N7,984-994.

31.Stuetzer O.M. Instability of Certain Electrohydrodynamic System //Phys. Of Fluids, 1959, vol. 2, N6, 642-648.

32.Stuetzer O.M. Ion-Drag Pumps //J. Appl. Phys. 1960, vol. 31, N1,136-146.

33.Кузнецов С.Ф., Молотов П.Е., Паринов Ю.В. К теории электрогидродинамического эффекта //Магнитная гидродинамика, 1986, N2B с. 94-99.

34.Кузнецов С.Ф., Молотов П.Е., Паринов Ю.В. Зависимость КПД ЭГД насосов от гидросопротивления насосов //Электронная обработка материалов, 1988, N1, с. 43-45.

35.Болога М.К., Усенко В.П., Шкилев В.Д., Мардарский О.И. Экспериментальное исследование многоступенчатого ЭГД насоса //Электронная обработка материалов, 1978, N6.

36.Бумагин Г.И., Авдеев Н.П., Дудов А.Ф., Борисов В.А. Исследование ступени ионно-конвекционного насоса с питанием короны пульсирующим напряжением //Изв. Вузов, Энергетика, 1984, N11, с. 60-64.

37.Бумагин Г.И., Авдеев Н.П., Дудов А.Ф., Борисов В.А. Перемещение криогенных жидкостей в ионно-конвективном насосе //Изв. вузов. Машиностроение, 1987, N2, с. 46-50.

38.Бумагин Г.И. Методы повышения эффективности и единичной мощности ступени ЭГД преобразователей энергии //Изв. вузов, Энергетика, 1990, N3, с. 66-71.

39.Рихтер A. EUSA 4 (1990), 37-38.

40.Жакин А.И. О некоторых расчетных схемах ЭГД насосов на основе редокс-систем //Электронная обработка материалов, 1988, N3, с. 35-37.

41.Жакин А.И. Исследование электроконвекции и электроконвективного теп-лопереноса в жидких диэлектриках при униполярной инжекционной проводимости //Изв. АН СССР, Механика жидкости и газа, 1988, N2, с. 14-20.

42.Bryan J.E, Seyed-Yagoobi J. Experimental study of ion-drag pumping using various working fluids //IEEE Trans. Ind. Appl. 2(1983), 950-955 pp.

43.Bryan J.E, Seyed-Yagoobi J. Analysis of 2-dimensional Flow Field Generated by a 1-Electrode-pair Ion-drag Pump //IEEE Trans, on Dielectrics and Electrical Insulation, vol. 2, N 3 (1994), 459-467 pp.

44.Полянский B.A., Файзулин P.T., Панкратьева И.Л., Сахаров В.И. Численное моделирование электрогидродинамического течения слабопроводящей жидкости в канале при наличии инжекции заряда в поток //Сборник докладов IV международной конференции "Современные проблемы электрогидродинамики и электрофизики жидких диэлектриков".-Санкт-Петербург, с. 121-129.

45.Вартанян А.А., Гогосов В.В., Полянский В.А., Полянский К.В., Шапошникова Г.А. Моделирование нестационарных процессов в каналах ЭГД-насоса //Механика жидкости и газа, 1994, N3, с. 30-41.

46.Ахадов Я.Ю. Диэлектрические свойства чистых жидкостей. М. Изд-во стандартов, 1972, 412 с.

47.Таблицы физических величин. Справочник под ред. Кикоина.-М.: Атомиз-дат, 1976,1005 с.

48. Андерсон Д., Таннехилл Дж., Плетчер Р. Вычислительная гидромеханика и теплообмен. М.: Мир, 1990, т. 2, 384 с.

49. Самарский А.А. Введение в теорию разностных схем. М.: Наука, 1971, 552 с.

50. Роуч П. Вычислительная гидродинамика. М.: Мир, 1980, 616 с.

51.Жакин А.И., Лунев С.А. Физические принципы функционирования электрогидродинамических насосов //Изв. КГТУ, 1997, N 1, с. 130-139.

52.:Жакин А.И., Лунев С.А. Методика расчета характеристик сеточного ЭГД насоса в замкнутом гидравлическом контуре. //Тезисы докладов школы-семинара "Современные проблемы механики и прикладной математики".-Воронеж, 1998, с. 111.

53.Жакин А.И., Лунев С.А. Методика измерения коэффициента подвижности ионов и коэффициента инжекции. //Тезисы докладов III Всероссийской научно-технической конференции "Методы и средства измерений физических величин". Часть VII.-Нижний Новгород, 1998, с. 12.

54.Жакин А.И., Лунев С.А. Численные исследования характеристик ЭГД насосов. //Доклад на V Международной научной конференции "Современные проблемы электрофизики и электрогидродинамики жидкостей".-Санкт-Петербург, с. 219-222.

55.Жакин А.И., Лунев С.А. Анализ работы сеточного ЭГД насоса, включенного в замкнутый гидравлический контур. Часть 1. Приближенная теория //КГТУ, 1998, 10 с. Рук. деп. в ВИНИТИ N2045-B98 от 02.07.98 г.

Зб.Жакин А.И., Лунев С.А. Анализ работы сеточного ЭГД насоса, включенного в замкнутый гидравлический контур. Часть 2. Численный анализ //КГТУ, 1998, 13 с. Рук. деп. в ВИНИТИ N2523-B98 от 06.08.98 г.