СВЕЧЕНИЕ ЖИДКОСТИ В ТОНКИХ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КАНАЛАХ

СВЕЧЕНИЕ ЖИДКОСТИ В ТОНКИХ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КАНАЛАХ. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

СВЕЧЕНИЕ ЖИДКОСТИ В ТОНКИХ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КАНАЛАХ

Герценштейн С.Я., Монахов А.А.

Оставьте комментарий

В предварительных экспериментальных исследованиях течения слабопроводящей жидкости в тонких диэлектрических каналах обнаружено явление - свечения жидкости [1,2]. Свечение можно наблюдать невооруженным глазом при дневном освещении. Описание этого явления как в отечественной литературе, так и в зарубежной, нами не обнаружено.

В настоящей работе приводятся результаты исследования течения жидкости в канале диаметром 0.1 см и длиной 5 см. Движение жидкости задается перепадом давления, числа Re при этом не превышали 600.

СВЕЧЕНИЕ ЖИДКОСТИ В ТОНКИХ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КАНАЛАХ

Рис. 1.

Рассматривались два вида составного канала с разными материалами вдоль его оси (Рис.1). В первом варианте начальная область канала длиной 3 см. была выполнена из фторопласта марки Ф4МБ и оконечная его часть 2 см. с тем же диаметром из органического стекла. Фторопласт этой марки имеет удельное сопротивление 1017 в/м, а органическое стекло на 7 порядков меньше. В качестве жидкости использовалось техническое масло с вязкостью 75 сСт.

Во втором варианте между фторопластом и органическим стеклом вставлялась латунная вставка толщиной 2 мм. с таким же диаметром. В обоих случаях геометрические размеры каналов были одинаковыми. Канал с такими данным представляет начальный участок трубы, где происходит формирование профиля скорости от прямоугольного, до параболического. Здесь же происходит основное ускорение ядра течения и значительное падение давления [3].

Проведенные исследования для канала первого вида (без латунной вставки) показали возникновение свечения жидкости от границы раздела диэлектриков в направлении движения потока при скорости около 15 м/с (Рис.2).

Здесь (1) – канал из фторопласта, (2) – продолжение канала из органического стекла, (3) – область свечения жидкости на границе раздела диэлектриков. Жидкость движется снизу вверх.

СВЕЧЕНИЕ ЖИДКОСТИ В ТОНКИХ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КАНАЛАХ

Рис. 2 Свечение жидкости в составном канале фторопласт-оргстекло

С ростом скорости потока, область свечения увеличивается. При регистрации свечения фотоэлектронным умножителем, установлена его дискретность в виде отдельных вспышек с частотой до 50 Кгц, сопровождающиеся электромагнитной помехой в радиодиапазоне. Наблюдается хорошая корреляция по времени вспышки света с электромагнитной помехой. При резком увеличении скорости потока, яркость свечения и возрастает.

Причина свечения связана с электризацией стенки канала и жидкости. В начальном участке канала на длине 5-10 калибров происходит основной разгон ядра течения и падение давления. Это приводит к мелкопузырьковому вскипанию растворенных газов в жидкости и образованию заряда на стенке канала и в жидкости. Вторым фактором образования зарядов на стенке является проявление электрофизических свойств материала канала. Фторопласт (политетрафторэтилен (CF2 – CF2)n) является хорошим изолятором, работа выхода электронов составляет ∆(еφ) =10,1 эв. Этот параметр часто определяется по возникновению тока эмиссии с поверхности материала при некотором значении напряженности электрического поля (эффект Шотки).

∆(еφ) =е 3 Е 1/2

Для фторопласта Екр = 7*108 в/см. Фторопласт, как и многие фторсодержащие материалы, имеет большую величину сродство к электрону. Это объясняется наибольшим значением электроотрицательности у фтора. Необходимо и отметить, что фторопласт является не только гидрофобным материалом, но и олеофобным. И в этом случае в начальном участке канала может происходить проскальзование жидкости относительно стенок канала [4].

СВЕЧЕНИЕ ЖИДКОСТИ В ТОНКИХ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КАНАЛАХ

Рис. 3. Свечение жидкости в канале за латунным кольцом.

При движении жидкости формируется двойной электрический слой с отрицательным потенциалом на стенке канала и положительным в жидкости. При скорости потока 15 м/с его напряженность еще мала для возникновения полевой эмиссии на стенке канала из фторопласта, но достаточна для возникновения эмиссии на стенки канала из органического стекла. В результате эмиссионный ток возбуждает часть молекул жидкости с излучением последними квантов света в виде наблюдаемого свечения.. 

В экспериментах с размещением латунной вставки между фторопластом и оргстеклом и наблюдалось свечение. Как и в первом варианте канала, здесь и формируется двойной электрический слой на стенке из фторопласта. Его интенсивность растет с увеличением скорости потока. Как известно, работа выхода электронов у металла намного меньше, чем у диэлектрика и здесь свечение более интенсивное чем в канале без металлической вставки при той же скорости потока 15 м/с. (Рис. 3).

Здесь (1) – канал из фторопласта, (2) – латунное кольцо, (3) – область свечения жидкости за латунным кольцом, (4) – продолжение канала из органического стекла. Жидкость движется снизу вверх.

Наиболее яркая область свечения наблюдается над латунным кольцом, где происходит полевая эмиссия электронов и возбуждение молекул жидкости. Далее по потоку происходит рекомбинация молекул жидкости, которая наблюдается в виде голубоватого свечения.

Интенсивное свечение в канале приводит к повышению температуры жидкости. Измерения показали, что температура жидкости на выходе канала повышается на 10 градусов. Процесс полевой эмиссии характеризуется не только разогревом поверхности канала и жидкости, но и разрушением стенок канала за счет движения к ней положительных ионов. Разрушение происходит как кромки канала, так и стенки из органического стекла (Рис. 4 а, б)

СВЕЧЕНИЕ ЖИДКОСТИ В ТОНКИХ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КАНАЛАХ

Рис. 4 а

Рис. 4 б

Торец канала до начала эксперимента и через 30 мин.

Регистрация свечения фотоэлектронным умножителем показала, что свечение в виде вспышек происходит и при постоянном давлении. Однако интенсивность свечения возрастает при резких пульсациях скорости.

Рис. 5. Осциллограмма интенсивности свечения (3), электромагнитного
фона (2), при квазистатическом изменении давления (1).

На Рис. 5 представлена осциллограмма интенсивности свечения (3), электромагнитного фона (2) при квазистатическом изменении давления (1) перед входной кромкой канала. Наблюдается хорошая корреляция между вспышкой света и электромагнитной помехой.

В ходе проведения экспериментальных исследований и установлено, что электропроводность жидкости существенным образом влияет на электризацию и, соответственно, на интенсивность свечения. Аналогичные результаты были получены в расчетах [5].

Небольшой фильм о свечение жидкости в диэлектрическом канале с латунной вставкой можно посмотреть здесь.

Таким образом, согласно проведенным экспериментальным исследованиям течения слабопроводящей жидкости в канале c меняющимися электрофизическими свойствами, обнаружено новое явление – свечение жидкости. Установлены области с большой напряженность электрического поля. Показано, что свечение возникает на границе изменения электрофизических свойств материала канала и является следствием флюоресценции жидкости. Свечение имеет дискретный характер и сопровождается электромагнитной помехой.

ИСПОЛЬЗУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

  1. Баранов Д. С., Бухарин Н.С., Герценштейн С.Я., Монахов А.А. Электризация слабопроводящей жидкости в тонком диэлектрическом канале //Тезисы докладов XIII школы-семинара «Современные проблемы аэрогидродинамики». 5-15 сентября 2005 г. Сочи, «Буревестник» МГУ. М.: Изд-во МГУ, 2005.с.14.

  2. Монахов А.А. Электризация при течении диэлектрической жидкости в диэлектрическом канале.// Тезисы докладов международной конференции «Нелинейные задачи теории гидродинамической устойчивости и турбулентность». 26 февраля –5 марта 2006г. Моск. Обл. пансионат Управление делами Президента РФ «Лесные дали». МГУ. М.: Изд-во МГУ, 2006.с.76.

  3. Г. Шлихтинг . Теория пограничного слоя. Изд-во «Наука», М. 1974.

  4. S. M. Dammer and D. Lohse, Phys. Rev. Lett. 96, 206101 (2006).

  5. Панкратьева И.Л., Полянский В.А. Образование сильных электрических полей при течении жидкости в узких каналах // Доклады РАН. 2005. Т.403. №5. С. 619-622.

Версия для печати
Автор: Герценштейн С.Я., Монахов А.А.
Институт механики МГУ им. М.В. Ломоносова, Москва

P.S. Материал защищён.
Дата публикации 30.11.2006гг


НОВЫЕ СТАТЬИ И ПУБЛИКАЦИИ НОВЫЕ СТАТЬИ И ПУБЛИКАЦИИ НОВЫЕ СТАТЬИ И ПУБЛИКАЦИИ

Технология изготовления универсальных муфт для бесварочного, безрезьбового, бесфлянцевого соединения отрезков труб в трубопроводах высокого давления (имеется видео)
Технология очистки нефти и нефтепродуктов
О возможности перемещения замкнутой механической системы за счёт внутренних сил
Свечение жидкости в тонких диэлектрических каналох
Взаимосвязь между квантовой и классической механикой
Миллиметровые волны в медицине. Новый взгляд. ММВ терапия
Магнитный двигатель
Источник тепла на базе нососных агрегатов