Введение к работе
Актуальность темы. Исследование электрогидродинамической неустойчивости тонких заряженных слоев вязкой жидкости на твердой подложке, сопровождаемой теплоэлектромассообмешм в многочастичных системах, является весьма актуальным как для более полного понимания природных явлений, так и для обширной области технических приложений. Процессы, происходящие в грозовых облаках, интересуют широкий круг исследователей в связи с теорией грозового электричества, воздействия на градообразование в облаках, а также в связи с влиянием на прохождение радиоволн в атмосфере, грозовые процессы в которой происходят постоянно и захватывают значительные по масштабам области. Актуальна проблема неустойчивости жидких слоев на поверхности твердых ядер и при решении ряда прикладных задач, например, физики низкотемпературной плазмы продуктов сгорания твердых топлив, частицы которых покрыты слоем расплава или жидкого окисла. Исследование неустойчивости жидких слоев на твердой поверхности имеет приложения также в связи с разработкой методов жидкостной шее-спектрометрии и жидкометаллических источников ионов, практикой электрического распиливания лакокрасочных материалов ж жидкого топлива, разработкой ионных коллоидных реактивных двигателей, а также может найти применение и в других областях науки и техники, где тепло&лектромассооОман сопровождается неустойчивостью жидких слоев на поверхности твердого дна. Немногочисленные теоретические исследования не внесли достаточной ясности в закономерности развития электрогидродинамической неустойчивости тонкого слоя жидкости и ограничивались, как правило, рассмотрением некоторых предельных ситуаций. Исследование влияния расклинивающего давления на реализацию электрогидродинамической неустойчивости также носят весьма фрагментарный характер. Весьма слабо исследовано и влияние аэродинамических потоков. на неустойчивость тающей градины при ее падении в грозовом облаке.
Цель работы состояла в численном и аналитическом исследовании механизма, особенностей и условий возникновения и;развития электрогидродинамической неустойчивости жидких слоев на поверхности твердого дна в поле электрических и флунтуационных. сил* Для достижения доставленной цели решались задачи:
математического моделирования капиллярных колебаний и закономерностей реализации неустойчивости заряженного слоя вязкой жидкости <онечной толщины, лежащего на твердом дне;
компьютерного анализа волновых и вихревых движений жидкости в зферичэской вязкой заряженной капле;
численного исследования влияния толщины слоя вязкой жидкости щ капиллярные колебания и величины инкрементов при реализации реле-
евской неустойчивости тонкого слоя жидкости на поверхности твердого сферического ядра;
- расчета влияния флуктуационных сил на критические условия и
закономерности реализации неустойчивости тонкого слоя жидкости;
- анализа проявления элекгрогидродинамической неустойчивости
жидких оболочек тащих градин как пускового механизма генерации гро
зового электричества.
Научная новизна работы состоит в том, что в ней:
впервые исследовано совместное влияние двух механизмов диссипации в тонком слое заряженной жидкости и на твердом дне, приводящее при реализации неустойчивости тонких пленок к образованию большего числа эмиссионных выступов, чем для толстых или бесконечно глубоких слоев жидкости или капли без ядра;
впервые получено аналитическое выражение для декремента затухания капиллярных колебаний заряженного слоя маловязкой жидкости на поверхности твердого сферического ядра;
метода численного анализа выяснено, что учет флуктуационных сил приводит к увеличению критических параметров, характеризующих развитие неустойчивости для весьма тонких слоев жидкости.
Научная и практическая ценность работы заключается в том, что проведенные исследования способствуют лучшему пониманию закономерностей реализации неустойчивости в тонких слоях вязких жидкостей, а также физической природы процессов в грозовых облаках, определяющую роль в эволюции которых играют заряды и электрические поля. Полученные результаты позволяют более точно вычислять характеристики получаемых при работе жидкостных масс-спектрометров и жидкометаллических источников ионов капельно-ионо-кластерных пучков. Результаты работы могут найти применение при разработке новых конструкций жидкостных масс-спектрометров и жидкометаллических источников ионов. Составленные программы численного расчета щілиндрическйх сферических функций могут быть использованы при расчетах на ЭВМ.
На защиту выносятся:
модель и численный анализ элактрогидродинамической неустойчивости плоского тонкого слоя жидкости на плоской поверхности твердого дна и на поверхности твердого сферического ядра;
численный анализ структуры спектра капиллярно-полоидальных и тороидальных вихревых течений жидкости в заряженной капле и в слое заряженной жидкости на поверхности сферического ядра;
расчет декремента затухания капиллярных движений маловязкой жидкости в тонком слое на твердой подложке;
модель и численный анализ влияния расклнниваищвго давления на
закономерности развития электрогидродинамической неустойчивости в тонкой пленке жидкости;
- модель таяния и электрогидродинамической неустойчивости круп
ной обводненной градины, падающей в грозовом облаке;
- качественный анализ закономерностей электродиспергирования
жидкости из слоя на поверхности твердой подложки и его применение к
условиям работы лмдкометаллических источников ионов и вакуумных
масс-спектрометров.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсувдались: - на 14 Всесоюзной конференции "Актуальные вопросы физики аэродисперсных систем" (Одесса, 1986); - на 3 Всесоюзном симпозиуме по атмосферному электричеству (Тарту, 1986); - на Всесоюзной конференции по активным воздействиям на гидрометеорологические процессы (Киев, 1987); - на Всесоюзном семинаре по электрокаплеструйной технологии (Ленинград, 1989); - на Всесоюзной конференции по физике и технике монодисперсных систем (Москва, 1991); - на 9-м международном симпозиуме по атмосферному электричеству (Санкт - Петербург, 1992); - на О международной конференции "Современные проблемы электрогидродинамики и электрофизики жидких диэлектриков" (Санкт-Петербург, 1994); -на 17-й конференции стран СНГ по вопросам испарения, горения и газовой динамики дисперсных систем (Одесса, 1996).
Структура и объем работы. Диссертация общим объемом 124 страниц, в том числе 31 рисунок и 2 таблицы, состоит из введения, пяти глав, списка литературы из 104 наименований.