Теоретические и экспериментальные исследования свойств и течений слабопроводящих и намагничивающихся дисперсных сред в электромагнитных полях. НИР

Theoretical and experimental studies of the properties and movements low conductive magnetised dispersion mediums in electromagnetic fields

Источник финансирования НИР

грант РФФИ

Этапы НИР

# Сроки Название
1 1 января 2016 г.-31 декабря 2016 г. Теоретические и экспериментальные исследования свойств и течений слабопроводящих и намагничивающихся дисперсных сред в электромагнитных полях.
Результаты этапа: а) Проведен анализ применяемых в современной электрогидродинамике слабопроводящих сред эффективных математических моделей, степень сложности которых определяется учитываемыми механизмами электризации среды. Описаны и проанализированы несколько различных механизмов электризации. Показано, что один из механизмов, связанный с непосредственным воздействием поля на объемную скорость ионизации, может быть применен для разработки зондового метода диагностики электронного возбуждения молекул высокотемпературной газовой смеси атмосферного давления (типа продуктов горения углеводородов). б) Исследован механизм образования объемного электрического заряда в жидких средах при их течении в каналах микро и нано-размеров, используемых в различного рода устройствах в биотехнологии, фармацевтике и диагностической медицине. Наличие объемного заряда позволяет с помощью приложенного продольного электрического поля управлять движением таких сред в тонких каналах. В частности, без больших трудностей реализуется возможность перемещения жидкости из одного микрообъема в другой, перемешивания двух разных жидкостей в микроразмерном канале и т.п. Использование перепада давления для этих целей практически неосуществимо. в) Построена модель структуры межфазного слоя на границе раздела слабых растворов намагничивающегося поверхностно-активного вещества (НПАВ) в обычных несжимаемых жидкостях во внешнем магнитном поле. Внутри межфазного слоя учитывалась зависимость энергии от концентраций и их градиентов. Показано, что адсорбция НПАВ на границе раздела приводит к анизотропии и существенной зависимости поверхностного натяжения от напряженности магнитного поля при полях порядка 1 Тл. в) Выведены в изотермическом приближении динамические условия на границе раздела фаз в жидкостях, учитывающие зависимость поверхностной энергии от потока массы через межфазную границу. Определен критерий устойчивости фронтов фазовых переходов с плоскими волнами относительно малых возмущений. Вычислена зависимость поверхностного натяжения от потока массы для известного точного решения задачи о структуре изотермического фазового перехода в рамках обобщенной модели Ван-дер-Ваальса. г) Исследована задача о вычислении эффективной вязкости для слабоконцентрированной суспензии сферических частиц из жесткого ферромагнетика в сильном переменном магнитном поле. Показано, что возможны два вида временного усреднения: усреднение тензора касательных напряжений среды и поля или усреднение вязкой диссипации. В первом случае рост величины магнитного поля уменьшает эффективную вязкость суспензии при частотах, больших по сравнению с завихренностью среды, во втором — увеличивает. д) Для изучения устойчивости установившегося электровращения сферической капли вязкой слабопроводящей поляризующейся жидкости в постоянном электрическом поле проведено аналитическое исследование нестационарного вращения в следующих условиях. Сферическая капля вязкой слабопроводящей поляризующейся жидкости, взвешена в другой, несмешивающейся с ней, вязкой слабопроводящей поляризующейся жидкости. Учитывалось влияние поверхностных электротоков на границе раздела жидкостей. Отношение вязкости окружающей жидкости к вязкости капли считалось достаточно малым и использовалось при решении как малый параметр. Изучалось нестационарное изменение формы капли. Выведены соотношения для электрического потенциала, скорости и давления в виде рядов с зависящими от времени векторными и тензорными коэффициентами. Полученные результаты позволили провести исследование устойчивости найденных ранее стационарных решений. Установлено, что в определенных условиях, кроме известного стационарного решения без электровращения, существует множество стационарных решений с электровращением, определенных с точностью до направления вектора угловой скорости вращения, перпендикулярного вектору напряженности приложенного поля. При этом если выполняются условия существования решений с электровращением, то решения с электровращением являются устойчивыми, а решение без электровращения является неустойчивым. Если же условия существования решений с электровращением не выполняются, то решение без электровращения является устойчивым. е) Теоретически и экспериментально изучается форма капли магнитной жидкости, погруженной в масло, в периодическом электрическом поле. Экспериментально показано, что деформация капли может не соответствовать хорошо известной теории. Предложена двухслойная модель капли, проведенные расчеты по которой хорошо соответствуют полученным экспериментальным данным.
2 1 января 2017 г.-31 декабря 2017 г. Теоретические и экспериментальные исследования свойств и течений слабопроводящих и намагничивающихся дисперсных сред в электромагнитных полях.
Результаты этапа: Исследовано влияние сильных неоднородных электрических полей на процессы ион-ионной диссоциации в жидких слабопроводящих смесях при их течениях в плоских микроканалах. Изучены эффекты, являющиеся следствием воздействия неоднородного поля на объемную электрохимическую кинетику в жидкостях при умеренных числах Дебая. Показано, что в пристеночных слоях с сильной неоднородностью поля образуются биполярные структуры нескомпенсированного объемного заряда, на которые можно воздействовать приложенным продольным полем. Наличие слоев с противоположно направленными кулоновскими силами приводит к возникновению в профиле скорости точек перегиба. Это вызывает неустойчивость течения и тем самым способствует перемешиванию жидкости в микроканале. Решена задача об устойчивости капиллярно-гравитационных волн на горизонтальной поверхности вязкой несжимаемой жидкости в присутствии намагничивающегося поверхностно-активного вещества во внешнем постоянном магнитном поле произвольной ориентации. учитывалась анизотропия тензора поверхностных натяжений и зависимость компонент этого тензора от концентрации поверхностно-активного вещества и напряженности магнитного поля. Показано, что в приложенном поле свободная поверхность жидкости становится неустойчивой при напряженностях поля, больших некоторого критического значения, не зависящего от упругих свойств пленки поверхностно-активного вещества. Исследована задача о зависимости поверхностного натяжения на границе раздела типа "жидкость-пар" от величины потока массы, испытывающей фазовый переход испарения или конденсации. На основе уравнения для производства энтропии и вариационного уравнения Л. И. Седова, где в число дополнительных определяющих параметров входит интенсивность фазовых превращений, построена уточненная модель движущейся границы фаз в жидкости. При этом граница раздела фаз рассматривается как двумерная система с нулевой поверхностной плотностью, обладающая внутренней энергией, температурой и энтропией. Получены определяющие уравнения, условия на границе раздела и кинетические соотношения в рамках данной модели. В частности, получено дополнительное соотношение, связывающее скачок обобщенного химического потенциала на границе раздела фаз и скорость изменения потока массы через данную границу. В рамках данной модели исследована устойчивость фронта фазового перехода относительно малых продольных возмущений. В изотермическом приближении решена задача о структуре движущейся плоской межфазной границы, что позволяет найти уравнения состояния двумерной среды и кинетические коэффициенты. При этом внутри межфазного слоя используется уравнение состояния, основанное на обобщенной модели Ван дер Ваальса с учетом градиентов плотности. Найдена зависимость поверхностной свободной энергии и поверхностного натяжения от интенсивности фазовых превращений и получены асимптотические выражения для этих функций при малых потоках массы через межфазную границу. Проведено исследование деформационных колебаний капли вязкой магнитной жидкости в переменном магнитном поле. Изучалось изменение формы капли вязкой магнитной жидкости, взвешенной в не смешивающейся с ней другой вязкой магнитной жидкости, в переменном магнитном поле. Поверхностное натяжение капли считалось достаточно большим, чтобы можно было использовать асимптотическое разложение по малому параметру и ограничится поправками первого порядка по этому параметру. Напряженность магнитного поля, а также скорость и давление в течении найдены в виде рядов с зависящими от времени векторными и тензорными коэффициентами, для которых получены соотношения, позволяющие их определить. С использованием этих соотношений коэффициенты искались в виде асимптотических разложений по малому параметру, соответствующему большому отношению поверхностного натяжения к плотности энергии магнитного поля, умноженной на радиус недеформированной капли. Получены соотношения для членов нулевого и, для некоторых коэффициентов, первого порядков этих асимптотических разложений, позволяющие найти их изменение со временем. Эти соотношения позволяют выразить все коэффициенты через один из них, для которого получено обыкновенное дифференциальное уравнение. Найдено решение этого уравнения в виде установившихся колебаний. Установлено, что с точностью до членов первого порядка в колеблющемся приложенном магнитном поле капля является вытянутым сфероидом с осью, направленной вдоль вектора напряженности приложенного поля, совершающим деформационные колебания с угловой частотой, равной удвоенной частоте колебаний приложенного поля, и с фазовым запаздыванием по отношению к колебаниям поля. Найдена зависимость полуосей этого сфероида от времени и величина фазового запаздывания как функция частоты. При стремлении частоты колебаний приложенного поля к бесконечности капля стремится принять форму неизменяющегося вытянутого сфероида. Установлено также, что во вращающемся магнитном поле капля принимает форму трехосного эллипсоида. Эллипсоид вращается вокруг своей малой оси, направленной перпендикулярно плоскости вращения вектора напряженности приложенного поля, с угловой скоростью, равной угловой частоте вращения вектора напряженности поля, так, что большая ось эллипсоида отстает от вектора напряженности приложенного поля на некоторый угол. Найдена зависимость полуосей этого сфероида от времени и величина угла запаздывания как функция частоты. При стремлении частоты колебаний приложенного поля к бесконечности капля стремится принять форму не изменяющегося сплюснутого сфероида. Теоретически рассмотрена задача деформация капель жидкости в электрическом поле. Задача о форме капли решается для случая переменного электрического поля. Рассматриваются первые два приближения по малому параметру. Учитываются все возможные перемещения заряда по поверхности: конвективный перенос и поверхностная проводимость. Исследуется влияние параметров переноса поверхностного заряда на форму капли. На основе полученных результатов можно сделать вывод о том, что учет различных перемещений заряда по поверхности может повлиять на форму капли только в сторону ее большего вытягивания.
3 1 января 2018 г.-31 декабря 2018 г. Теоретические и экспериментальные исследования свойств и течений слабопроводящих и намагничивающихся дисперсных сред в электромагнитных полях.
Результаты этапа: а) Проведен анализ применяемых в современной электрогидродинамике слабопроводящих сред эффективных математических моделей, степень сложности которых определяется учитываемыми механизмами электризации среды. Описаны и проанализированы несколько различных механизмов электризации. Механизм, связанный с непосредственным воздействием поля на объемную скорость ионизации, применен для разработки зондового метода диагностики неравновесной высокотемпературной газовой смеси атмосферного давления (типа продуктов горения углеводородов), а также для объяснения экспериментально наблюдаемого вихреобразования в пристеночных слоях при течении жидких слабопроводящих смесей в микроканалах в приложенных электрических полях. б) Проведены на модернизованной экспериментальной установке исследования электризации и разряда при течении углеводородной жидкости в тонких диэлектрических коаксиальных каналах с миллиметровым зазором при наличии кавитации. Дана интерпретация экспериментальных результатов на основе численного моделирования процессов контактной электризации в каналах установки в рамках трех-ионной модели среды. в) В рамках двухионной модели слабопроводящей среды исследованы процессы в канале одной ступени электрогидродинамического (ЭГД) компрессора. Найден перепад давления, возникающий в межэлектродном пространстве за счет взаимодействия среды с электрическим полем и проведено исследование влияния параметров задачи на зависимость перепада давления от расхода жидкости при различных приложенных напряжениях. г) Исследована задача о зависимости поверхностного натяжения на границе раздела типа "жидкость-пар" от величины потока массы, испытывающей фазовый переход испарения или конденсации. Построена уточненная модель движущейся границы фаз в жидкости. Получены определяющие уравнения, условия на границе раздела и кинетические соотношения в рамках данной модели. В частности, получено дополнительное соотношение, связывающее скачок обобщенного химического потенциала на границе раздела фаз и скорость изменения потока массы через данную границу. д) Исследована устойчивость движения капиллярно-гравитационной волны на горизонтальной свободной поверхности вязкой несжимаемой жидкости в присутствии магнитного поверхностно-активного вещества во внешнем магнитном поле. Показано, что для нормального, а также для тангенциального внешнего магнитного поля горизонтальная свободная поверхность жидкости неустойчива для напряженности поля, превышающей некоторое критическое значение е) Проведено аналитическое исследование (с использованием асимптотических разложений) деформационных колебаний капли вязкой магнитной жидкости в переменном магнитном поле. Установлено, что в колеблющемся приложенном магнитном поле капля является вытянутым сфероидом с осью, направленной вдоль вектора напряженности приложенного поля, совершающим деформационные колебания с угловой частотой, равной удвоенной частоте колебаний приложенного поля, и с фазовым запаздыванием по отношению к колебаниям поля. Показано, что с точностью до членов второго порядка вращающееся магнитное поле вызывает вращение жидкости внутри и вне капли. Найдены угловые скорости, характеризующие это вращение. ж) Решена задача о деформации капель жидкости с поверхностным зарядом в переменном электрическом поле. Учитывались перемещения заряда по поверхности: конвективный перенос и поверхностная проводимость. Исследовано влияние параметров переноса поверхностного заряда на форму капли.

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".