CC BY
8
Структуры микроЭГД течений в постоянных электрических полях
*А. И. Жакин, **А. Е. Кузько, ***С. А. Харламов
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Юго-Западный государственный университет», г. Курск, 305040, Россия, e-mail: [email protected], e-mail: [email protected] , e-mail: [email protected]
Поступила 13.09.2018 После доработки 15.02.2019 Принята к публикации 15.02.2019
Приводятся результаты наблюдения вихревых электрогидродинамических (ЭГД) течений в различных геометриях электродов в областях размером порядка 1 мм и постоянных внешних электрических полях. В качестве рабочих жидкостей использовался раствор трансформаторного масла с йодом, в котором формировалась униполярная проводимость за счет электрохимической инжекции отрицательных ионов с катода. ЭГД течение в виде микровихрей наблюдалось с помощью оптического микроскопа и снималось цифровой видеокамерой. Линии тока фиксировались треками светорассеивающих микрочастиц микронного размера. Скорости течения составляли до 10 см/с при напряжении на электродах 3 кВ.
Ключевые слова: инжекция, напряжение, жидкость, диэлектрик, ЭГД течение, электрический заряд, электрод.
УДК 537.58
Б01: 10.5281/7епоао.3244407 ВВЕДЕНИЕ
Микроэлектрогидродинамические течения (МЭГДТ) развиваются не только в диэлектрических жидкостях, но ив водных и неводных электролитах. По этой причине для объяснения развития микроЭГД течений необходимо использовать методы самых разных научных направлений: физико-химической гидродинамики, электродинамики, электрохимии и т.д. Масштабы микроЭГД течений изменяются от наноразмеров до размеров порядка 1 мм (рис. 1). В настоящее время это направление интенсивно развивается, о чем свидетельствуют многочисленные публикации в специализированных журналах, например "Мюгой^ Капойшё" (см., в частности, обзор [1]).
В настоящее время в области исследований электрогидродинамических (ЭГД) течений широко используются численные методы при униполярной (инжекционной) модели проводимости [2-5]. Следует отметить, что такой подход вызывает в основном теоретический интерес и малопригоден для практического использования. Дело в том, что в высокоомных жидкостях, какими являются жидкие диэлектрики, отсутствуют двойные электрические слои (ДЭС), всегда присутствующие в водных электролитах [6]. Поэтому разрядка инжектируемых ионов на коллекторе имеет активационный характер. Это приводит к их накоплению на коллекторе и, как следствие, затуханию ЭГД течения. Так как время разрядки инжектируемых ионов на
коллекторе, конечно, то приходится отключать напряжение в ячейке на несколько часов, что позволяет восстановить работу ЭГД устройства [7]. Тем не менее, исследование ЭГД течений в постоянных полях вызывает интерес с научной точки зрения для выяснения основных закономерностей развития электроконвекции.
Особый интерес вызывают микро ЭГД течения в пограничных ЭГД слоях [8]. Так, в случае охлаждения горячей плоской поверхности набегающей ЭГД струей теплоотдача происходит через ЭГД пограничный слой, толщина которого имеет размер долей миллиметра. Поэтому инжектирующий острийковый электрод можно располагать на расстоянии порядка 1 мм. В этом случае для развития температурного пограничного ЭГД слоя можно прилагать сравнительно небольшое напряжение на электродах порядка нескольких кВ, например 4-5 кВ, что чрезвычайно важно в технологическом плане.
В данной работе описываются структуры МЭГДТ в диэлектрических жидкостях при максимальном масштабе порядка 1 мм. Исследуются структуры и зависимость скоростей течений от прикладываемых напряжений при различных электродных геометриях и материалах инжектирующих электродов.
МЭГДТ МЕЖДУ ДВУМЯ ЛЕЗВИЯМИ
В настоящее время общепризнано, что ЭГД течения в диэлектрических жидкостях в посто-
© Жакин А.И., Кузько А.Е., Харламов С.А., Электронная обработка материалов, 2019, 55(3), 36-40.
10-3 10-2 10-1 1 10 102 103 мкм
4-у-'
частицы дыма волос
4-V-' У-V-'
вирусы кровяные капилляры
бактерии
Рис. 1. Масштабы микроЭГД течений.
4
Рис. 2. Схема установки: 1 - электроды; 2 - жидкость; 3 - тубус микроскопа; 4 - оргстекло.
1
1 мм
Рис. 3. Структура микровихрей в межэлектродном промежутке (вид сверху).
янных внешних электрических полях развиваются за счет инжекции зарядов с электродов. Наиболее характерно это проявляется в несимметричных электродных системах типа острие-плоскость в неполярных жидких диэлектриках с легирующей добавкой. Например, молекулы растворенного молекулярного йода являются электроноакцепторами, усиливающими инжек-цию отрицательных зарядов с катода [9, 10].
Известно, что реальные электроды являются шероховатыми, причем размер микронеодно-одностей даже на хорошо полированных электродах имеет порядок 1 мкм и более. При этом коэффициенты усиления напряженности электрического поля на кончиках микро-неоднородностей могут достигать значений до 100 и более [11]. Отсюда следует, что микровыступы могут быть эффективными инжекторами зарядов, в окрестности которых могут формироваться вихревые микроЭГД течения. Для проверки этой гипотезы было проведено наблюдение ЭГД течений в межэлектродном промежутке, представляющем собой тонкую щель шириной 1 мм между двумя лезвиями (рис. 2).
В качестве рабочей жидкости использовался раствор трансформаторного масла с йодом (ТМ+Г), в котором, как указано выше, реализуется электрохимическая инжекция зарядов с катода. Микронеоднородности на электродах создавались с помощью клея, которым приклеивались лезвия к подложке из органического стекла. Эксперименты показали, что в растворе ТМ+Г вблизи микронеоднородностей наблюдаются микровихри (рис. 3). Скорость течения при напряжении на электродах 2 кВ можно оценить по длине треков и времени выдержки кадра (рис. 4), что дает около 0,5 см/с.
Следует отметить, что подобное макроЭГД течение было отмечено в системе «плоский -периодически изогнутый электрод» [9]. Как показывают представленные результаты наблюдений, подобные ЭГД течения наблюдаются и при микромасштабных размерах области.
МЭГДТ В СИСТЕМЕ ОСТРИЕ-ПЛОСКОСТЬ
Геометрии электродных систем представлены на рис. 5. В качестве острийковых электродов использовались медь (проволока диаметром
1 мм
I................. '
Рис. 4. Последовательные кадры треков светорассеивающих частиц вблизи микровыступа. Время выдержки кадра 1/30 секунды.
1 мм
Си
Бе
Рис. 5. Фото электродных систем.
© © © ©
Рис. 6. Треки микрочастиц при медном электроде. Скоростная съемка при 240 кадров в секунду (к/с).
0,25 мм), титан и стальная игла. Плоский противоэлектрод изготовлялся из алюминиевой фольги. Жидкость представляла насыщенный раствор трансформаторного масла с молекулярным йодом, в который добавлялись малые частицы из боросиликатного стекла размером порядка 1 мкм. Острийковые электроды являлись катодами, а плоские - анодами. На электроды подавалось постоянное напряжение 2 кВ.
Как и в предыдущих экспериментах, структура течений фиксировалась цифровой скоростной камерой по трекам светорассеи-вающих стеклянных частиц. Видеосъемка производилась с помощью микроскопа. Обработка
последовательных кадров позволила построить линии тока и тем самым определить структуру течений. Результаты по обработанным кадрам при различных скоростях съемки представлены на рис. 6-8.
Исследования показали, что течение при любом материале игольчатых электродов направлено от острия и имеет вихревую структуру. При длине трека 0,1 мм и времени выдержки 1/240 с (240 к/с) максимальная скорость течения составляет порядка 2 см/с (см. треки на рис. 6). Наиболее интенсивно микрочастицы прилипают к титановому электроду (см. рис. 7а). Этот эффект обусловлен
Рис. 7. Структуры течений при титановом электроде: (а) - 240 к/с; (б) - 30 к/с.
Рис. 8. Структуры течений при стальном электроде при 30 к/с.
V, см/с
16 —
14 —
12 "
10 "
8 "
6 —
4 —
2 "
0
0 1 2 3 и, кВ
Рис. 9. Зависимость скорости в центральной струе от U при Т электроде.
сильной его шероховатостью. Эксперименты также показали, что при отрытой электродной системе, контактирующей с воздухом, с течением времени в ячейке появляются пылевые частицы, замыкающие электроды (рис. 8). По этой причине электродную систему необходимо делать изолированной. Во всех случаях максимальные скорости течений наблюдаются с кончиков остриев (центральные струи - ЦС).
Особый интерес представляет исследование зависимости скорости микроЭГД течений от прикладываемых напряжений при Т острий-ковом электроде (рис. 7), так как в этом случае электрод можно считать химически инертным (индифферентным). В этом случае наблюдается только физическая адсорбция легирующей добавки (молекулярного йода J2), тогда как при медном электроде на его поверхности образуется йодид меди Си1 [12]. Обработка треков микрочастиц в ЦС при Т электроде и различных напряжениях (рис. 7) позволила построить график зависимости скорости течения от приложенного напряжения U, представленный на рис. 9. Видно, что в этом случае при напряжении 3 кВ скорость течения достигает порядка 15 см/с, а в интервале 1,5-3 кВ линейно зависит от прикладываемого напряжения.
ВЫВОДЫ
1. Структуры вихревых течений МЭГДТ в областях масштаба 1 мм подобны структурам ЭГД течений в областях масштаба порядка 1 см и более.
2. Скорости микроЭГД течений в системе «электродов игла-плоскость» («лезвие-плоскость») достигают значений порядка 5 мм/с при сравнительно низких напряжениях на электродах порядка 2 кВ.
ЛИТЕРАТУРА
1. Chong Z.Z., Tor S.B., Ganan-Calvo A.M., Chong Z.J. et al. Microfluid Nanofluid. 2016, 20.66, 14 pages. DOI 10.1007/s10404-016-1722-5.
2. Kang Luo, Jian Wu, Hong-Liang Yi and He-Ping Tan. Phys Fluids. 2018, 30(2), 023602. https://doi.org/10.1063/L5010421.
3. Kang Luo, Tian-Fu Li, Jian Wu, Hong-Liang Yi et al. Phys Fluids. 2018, 30(10), 103601. https://doi.org/10.1063/L5047283.
4. Chirkov V.A., Stishkov Yu.K. JElectrostat. 2013, 71, 484-488.
5. Стишков Ю.К., Чирков В.А. ЖТФ. 2012, 82(1), 3-13.
6. Жакин А.И. УФН, 2006, 186(3), 289-310.
7. Кожевников И.В., Гросу Ф.П., Болога М.К. ЭОМ. 2018, 54(5), 68-74.
8. Жакин А.И., Кузько А.Е. Теплофизика высоких температур. 2001, 39(5), 1-4.
9. Жакин А.И. Магнитная гидродинамика. 1982, (2), 70-78.
10. Жакин А.И. Известия АН СССР. Механика жидкости и газа. 1986, (4), 3-13.
11. Месяц Г.А. УФН. 1995, 165(6), 601-626.
12. Жакин А.И., Кузько А.Е. Cборник докладов Х Международной научной конференции «Современные проблемы электрофизики и электрогидродинамики жидкостей». 25-28 июня, С.-Петербург, Россия. С.-Петербург: Издательство СОЛО, 2012, с. 59-61.
Summary
The results of EHD flows in a thin gap (1 mm width) with irregular electrodes and constant external electric fields are presented. The liquid was solution of a transformer oil with iodine. The conductivity was unipolar due to electro-chemical injection of negative ions from the cathode. The flow lines were observed using a microscope. The EHD flows represent micro vortexes with an overage velocity 10 cm/s at voltage 3 kV.
Keywords: injection, voltage, liquid, dielectrics, EHD flows, electric charge, electrode.
