CC BY
112
УДК 532.529: 537.528
В.С. Тесленко, Р.Н. Медведев, А.П. Дрожжин ИГиЛ СО РАН, Новосибирск
ЭЛЕКТРОГИДРОДИНАМИЧЕСКИЙ АВТОКОЛЕБАТЕЛЬНЫЙ ЭФФЕКТ НА МНОЖЕСТВЕННЫХ КОНЦЕНТРАТОРАХ ТОКА
Введение
В данной работе представлены результаты исследований самосинхронизации автоколебаний тока в электролите, как сложного электрогидродинамического процесса. В работе рассматриваются механизмы возможных методов управления режимами синхронизации многоэлементных систем. Рассматриваются примеры возможного использования обнаруженного эффекта.
В работах [1, 2] было показано, что в электролите на одиночном концентраторе тока, представляющим собой отверстие в диэлектрической пластине, расположенной между металлическими электродами, развиваются электрогидродинамические автоколебательные процессы, пульсации тока и пузырька. Аналогичные процессы развиваются и на металлических концентраторах тока. Автоколебательные процессы развиваются в определенной (предпробойной) области напряжений, в области гетерогенного и гомогенного вскипания жидкости при электрическом нагреве.
Предполагалось, что изготовление концентраторов тока с одинаковыми размерами позволит получить синхронные автоколебания на множественных концентраторах тока, подключенных параллельно [3], что соответствовало бы синхронным пульсациям пузырьков на концентраторах. Однако, испытания таких устройств показали, что при достаточно высококачественном изготовлении одинаковых отверстий или металлических электродов в начале эксплуатации обеспечивается синхронность автоколебаний только в пределах нескольких десятков импульсов тока. То есть, в процессе эксплуатации таких устройств синхронный автоколебательный режим переходит в стохастический режим с биениями на суммарных токовых осциллограммах. В данном случае динамика пульсаций тока является косвенной характеристикой гидродинамических процессов расширения и захлопывания пузырьков на концентраторах тока [2, 3]. Анализ и скоростная киносъемка многоочаговых разрядных систем показали, что развитие стохастичности электрогидродинамических процессов на N концентраторах тока происходит за счет исходной и динамической дисперсии размеров концентраторов тока. В данной работе рассмотрен метод обеспечивающий самосинхронизацию на множественных концентраторах тока с широкой дисперсией по размерам исходных концентраторов тока.
Постановка экспериментов
На рис. 1 представлена принципиальная схема постановки экспериментов. На рис. 1а показана электрическая схема, которая состояла из заряжаемого до необходимого напряжения U конденсатора С = 2-100 mkF, дополнительно включаемой индуктивности L = 0,05-7,7 mH, механического
коммутатора К и шунта R, к которому подключался цифровой осциллограф TDS 210, данные с которого записывались на персональный компьютер. В экспериментах осуществлялась теневая киносъемка с применением скоростной цифровой видеокамеры. В качестве электролита использовались водные растворы поваренной соли с концентрацией 0,5-20 %. Испытывались три схемы концентраторов тока: 1) с диафрагмами (рис. 1а), 2) с
металлическими электродами на диэлектрической стенке (рис. 1б), 3) с удлиненными изолированными металлическими электродами с токопроводящим срезом на торце (рис. 1в). Свечение регистрировалось с помощью ФЭУ-35 (спектральный диапазон 300-600 нм).
в)
Рис. 1. Принципиальная схема постановки экспериментов:
а) концентраторы тока в виде отверстий в диэлектрической пленке, б) с металлическими токовыми концентраторами, в) с удлиненными металлическими концентраторами: 1, 2 -металлические электроды, 3 - диэлектрик, 4 - кювета с электролитом, ё - диаметр концентратора, Б - расстояние между концентраторами, ¡\, 12 - расстояние между электродами и диафрагмой, I - расстояние между электродами
В данной работе представлены результаты методической разработки по формированию процессов синхронных автоциклических режимов на 2, 5, 16, 32, 56 концентраторах тока в условиях начального разброса по размерам используемых концентраторов, и после их длительной эксплуатации в режиме пробоев.
В основе постановки экспериментов была заложена идея сравнения динамики развития электрогидродинамических процессов на концентраторах
тока разного диаметра для двух режимов: а) без дополнительной
индуктивности в общей разрядной цепи, б) с одной дополнительной индуктивностью Ь в общей разрядной цепи (Ь >> Ь0, Ь0 = 5 ткН - собственная индуктивность установки).
Результаты экспериментов. На рис 2 представлена теневая кинограмма процесса генерации и пульсации пузырька на одном отверстии.
Рис. 2. Кинограмма образования и пульсаций пузырька на отверстии диафрагмы ё = 0,6 тт.(а-вид сбоку, Ь-вид с торца)
На рис. 3 представлены результаты измерений тока I и напряжения и для экспериментов в постановке (1а) для двух отверстий в водном растворе хлорида натрия с концентрацией 5 %, без индуктивности (а) и с дополнительной индуктивностью (Ь).
15 < 1
0
>» 300 150 0
0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2
Рис. 3. Осциллограммы тока и напряжения для концентраторов тока в виде двух отверстий (ё = 0,26 тт, ё2 = 0,28 тт) в тефлоновой пленке толщиной
20 ткт:
На рис. 4 представлен ы результаты измерений тока I и напряжения и для экспериментов в постановке (1б) для 32-х концентраторов тока. Эксперименты проводились в водном растворе хлорида натрия с концентрацией 1 %, без индуктивности (а) и с дополнительной индуктивностью (Ь).
Для постановок (1а) и (1б) осуществлялась одновременная регистрация тока и теневая киносъемка гидродинамических процессов в области электрического пробоя. Из результатов киносъемки и осциллограмм тока следует, что при включении в разрядную цепь дополнительной индуктивности наблюдается выравнивание фаз пульсаций всех пузырьков в корреляции с импульсами суммарного тока.
Рис. 4. Осциллограммы тока и напряжения для 32-х концентраторов тока в виде срезов из стальных проволочек ё = 0,4 шш, выполненных заподлицо в
пластине из эпоксидной смолы
а) без индуктивности, иС = 400 V, Ь) с индуктивностью Ь = 0,8 шН, иС = 400 V
Результаты экспериментов показали, что фазовая синхронизация обеспечивается использованием дополнительной индуктивности для широкого диапазона значений дисперсии по размерам концентраторов тока. Из представленных осциллограмм наглядно следует, что для различных видов концентраторов тока и варьируемого их числа наблюдается общая закономерность изменения динамики суммарного тока с включением в электрическую цепь индуктивности Ь. С подключением дополнительной индуктивности Ь в разрядную цепь стохастический режим колебаний суммарного тока переходит в синхронный. Смена режимов колебаний тока можно объяснить с помощью представленных осциллограмм напряжения. Из данных экспериментальных результатов следует, что в периоды спада и роста тока в цепи генерируются импульсы избыточного напряжения иЬ, которые могут превышать напряжение иС на конденсаторе в каждом периоде пульсации пузырьков и тока. Величина избыточного напряжения определяется как
иь =-ьад/<и (1)
Индуктивность Ь мы задаем, а величина определяется скоростью размыкания и замыкания электрической цепи на 1-ом концентраторе, т.е. скоростью границы пузырька в периоды его расширения и захлопывания, в моменты пересечения его границей периметра концентратора тока. Именно это избыточное напряжение иЬ обеспечивает синхронизацию инициирования кольцевых разрядов-пробоев между расширяющимися и захлопывающимися пузырьками. Для подтверждения этого факта осуществлялась регистрация света из области пробоев с помощью ФЭУ-35. Эксперименты показали корреляцию во времени и по амплитудам импульсов избыточного напряжения и импульсов света.
Учитывая, что период пульсаций пузырьков пропорционален диаметру концентратора, можно предполагать, что в начальной стадии развивается каскадный процесс инициирования пробоев, начиная с концентратора тока наименьшего размера. С увеличением числа концентраторов частотный режим электрогидродинамических автоколебательных циклов начинают
определять концентраторы тока, имеющие среднестатистические размеры. С увеличением индуктивности и числа концентраторов увеличивается избыточное напряжение Ць, что приводит к синхронному инициированию пробоев на всех концентраторах.
Увеличение числа концентраторов тока приводит к снижению величины необходимой индуктивности для развития самосинхронизации, что согласуется с формулой (1). Следовательно, для каждого цикла существует пороговое значение инициирующего напряжения (Цр), которое определяется как:
Цр(1) = Це(1) + Щ1).
Для данных экспериментов средние пороговые значения развития самосинхронизации Цр составляли ~2ЦС. Особо следует отметить, что существенное превышение Ць (в десятки раз) над пороговыми значениями ЦС не ухудшало степени синхронизации.
Качество фазовой синхронизации можно оценивать с помощью следующего параметра:
КБ (1шах - Imm)/Imax, (2)
где 1шах, 1ш1п - максимальное и минимальное значения тока в одном цикле, определяемые по осциллограммам тока. Если в цикле падение тока до нуля не осуществляется, то это означает, что произошел сбой фаз на п концентраторах тока, и синхронизация обеспечивается только на К-п концентраторах. Значение К = 1 соответствует наилучшей синхронизации.
Рассматриваются возможности использования описанного эффекта в области акустики, в спектроскопии жидкостей, в прикладной электрогидродинамике. В качестве примеров рассматриваются механизмы векторной инжекции жидкости (рис. 2), и перспективы приложений для стерилизации промышленных биологических отходов.
Выводы:
1. Экспериментально обнаружен эффект самосинхронизации электрогидродинамических автоколебательных процессов для многоочаговых разрядов в электролите;
2. Показана принципиальная возможность генерации стабильных электрогидродинамических автоколебательных процессов на множественных концентраторах тока с относительной дисперсией по размерам до 0,37, с помощью включения в разрядную цепь индуктивности;
3. Показано, что взаимная синхронизация электрогидродинамических автоколебательных процессов обеспечивается путем генерации импульсов избыточного напряжения в цепи разряда по законам самоиндукции, за счет разрыва тока пузырьками;
4. Обоснована возможность применения обнаруженного эффекта для стерилизации жидкостей.
Работа выполнена при поддержке РФФИ (гранты: № 05-08-18145, № 0602-17453).
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Тесленко В.С. [Текст] / В.С. Тесленко, А.П. Дрожжин, А.М. Карташов // Письма в ЖТФ. - Т. 27, № 20. - 2001. - С. 83-88.
2. Тесленко В.С. [Электронный ресурс] / В.С. Тесленко, А.П. Дрожжин, Г.Н.
Санкин // Письма в ЖТФ. - 2006. - Т. 32, вып. 4. - Режим доступа:
http://www.ioffe.ru/journals/pjtf/2006/04/p24-31.pdf
3. Тесленко В.С. Динамика сплошной среды. [Электронный ресурс] сб. науч. тр.
Ин-т гидродинамики СО РАН. 2005. Вып.123. - Режим доступа:
http://swsl .newmail.ru/publ/e-a-effect.pdf
© В.С. Тесленко, Р.Н. Медведев, А.П. Дрожжин, 2007
