МЕХАНИКА ЖИДКОСТИ И ГАЗА № 3 • 2009
УДК 532.542+537.364+537.528
© 2009 г. |С. Я. ГЕРЦЕНШТЕЙН |, А. А. МОНАХОВ
ЭЛЕКТРИЗАЦИЯ И СВЕЧЕНИЕ ЖИДКОСТИ В КОАКСИАЛЬНОМ КАНАЛЕ С ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ СТЕНКАМИ
Представлены результаты экспериментального исследования течения диэлектрической жидкости в тонких каналах с составными стенками из разных диэлектриков. Обнаружено, что при некоторой скорости потока на границе раздела диэлектриков в результате электризации возникает свечение жидкости. Свечение имеет дискретный характер в виде частых импульсов и сопровождается электромагнитной помехой в радиодиапазоне. Показано, что с уменьшением толщины канала свечение возникает при меньших скоростях потока. Свечение сопровождается разогревом жидкости в пристеночной области, которое может достигать нескольких десятков градусов. Потенциал электризации достигает величины более 100 кВ. Обсуждаются механизмы электризации и возникновения свечения жидкости.
Ключевые слова: электризация, свечение жидкости, диэлектрические каналы, слабопроводя-щая жидкость, кавитация.
Основное внимание уделено исследованию течения диэлектрической жидкости в коаксиальном канале с составными диэлектрическими стенками. Данная работа продолжает исследование явления электризации в тонком цилиндрическом канале, где авторами было обнаружено свечение жидкости [1—3]. Переход к исследованию в коаксиальном канале позволил существенно увеличить диаметр канала и расход жидкости. Актуальность данной работы определяется широким использованием диэлектрических трубопроводов при подаче углеводородных жидкостей к различным техническим устройствам.
Схема коаксиального диэлектрического канала представлена на фиг. 1, а. Внутренняя часть канала 1 выполнена из эбонита. Внешняя стенка канала состоит из начальной фторопластовой области 2 (тефлон) длиной 2.5 см и конечной из органического стекла 3 длиной 1.0 см. На конце канала имеется перемычка между внутренней и внешней стенками канала с отверстиями для выхода потока. Зазор между стенками канала составляет 0.03 см. Весь канал помещается в блок из органического стекла. В качестве жидкости использовались технические минеральные масла (И-20А) с вязкостью около 75 сСт при 20°С. Движение жидкости в канале задавалось перепадом давления с помощью шестеренчатого насоса. В ходе проведения эксперимента определялись средняя скорость потока (по расходу), давление, температура жидкости на входе и выходе канала. Свечение жидкости регистрировалось фотоэлектронным умножителем.
Обнаружено, что при скорости потока V = 2.5 м/с на границе раздела диэлектриков в области органического стекла возникает голубоватое свечение жидкости (символ С на фиг. 1, б) в видимой области спектра, наблюдаемое невооруженным глазом. Причина свечения связана с электризацией стенки канала и жидкости. В начальном участке канала на длине 5—10 калибров происходят основной разгон течения и падение давления. Это может приводить к образованию кавитации и возникновению заряда на стенке канала и в жидкости. В [4] экспериментально показано, что в области разрыва диэлектрической жидкости возникают импульсы электрического напряжения. В [5]
Фиг. 1. Свечение жидкости в коаксиальном канале на границе контакта фторопласта и оргстекла: 1 — стенка канала (эбонит), 2 — внешняя стенка канала (фторопласт), 3 — внешняя стенка канала (оргстекло), С — свечение жидкости
1 л * . ■ "Ч 4 * *
ё §1 *Я
|| ]
Фиг. 2. Выемки с кавернами на внутренней стороне коаксиального канала (а), свечение жидкости в кавернах (б)
высказано предположение, что при кавитационном разрыве жидкости свечение происходит за счет электрического разряда.
Для подтверждения этой гипотезы был проведен отдельный эксперимент, в котором искусственно создавались выемки с острыми краями на внутренней стенке канала (фиг. 2, а). Создание таких выемок приводило к отрыву жидкости и образованию в них стационарных каверн. Как и предполагалось, при этом наблюдалось свечение жидкости в области этих каверн (фиг. 2, б). При создании подобных выемок, но с закругленными краями свечение не наблюдалось. Таким образом, образование кавитации один из главных факторов, влияющих на возникновение сонолюминесценции.
Фиг. 3. Осциллограмма свечения (3) и радиопомехи (2) при квазистатическом изменении давления (1)
Вторым фактором, существенно влияющим на образование зарядов на стенке, является состав материала канала. Фторопласт (политетрафторэтилен (СР2—СР2)Я) — хороший изолятор, работа выхода электронов составляет 10.1 эВ. Этот параметр часто определяется по возникновению тока эмиссии с поверхности материала при некотором значении напряженности электрического поля (эффект Шоттки) [6].
Для фторопласта критическое значение поля составляет 7 х 1010 В/м. Фторопласт, как и многие фторсодержащие материалы, имеет большую величину "сродство к электрону", поэтому при движении жидкости формируется двойной электрический слой с отрицательным потенциалом на стенке канала и положительным в жидкости. Его толщина составляет несколько десятков микрон. При скорости потока 2.5 м/с напряженность поля еще мала для возникновения разрядов на стенке канала из фторопласта, но достаточна для возникновения разрядов на стенке из органического стекла.
Это подтверждается осциллограммой на фиг. 3. Здесь при квазистатическом изменении давления 1 свечение представлено в виде отдельных, но частых вспышек 3. Световые импульсы сопровождаются электромагнитной помехой 2 в радиодиапазоне, которая регистрировалась небольшой антенной вблизи канала. Давление измерялось электронным датчиком, который размещался перед каналом. Хорошая корреляция электромагнитной помехи и световых импульсов подтверждает природу свечения в виде частых микропробоев с поверхности канала. С увеличением скорости потока область свечения также увеличивается, что может объясняться ростом потенциала электрических слоев.
Экспериментально также обнаружено, что свечение жидкости приводит к значительному ее нагреву. Так, при скорости потока около 3 м/с температура жидкости увеличивается на 24°С. Температурный контроль осуществлялся термопарными датчиками на входе и выходе канала. Локальное же увеличение температуры жидкости вблизи стенки канала достигало 100 и более °С. Это определялось по размягчению и оплавлению стенки канала из органического стекла.
а
Фиг. 4. Разряд в коаксиальном канале между латунным кольцом и начальным участком канала: 1 — латунная сетка, 2 — латунное кольцо, 3 — разряд в жидкости
В эксперименте с размещением за фторопластовой стенкой небольшого латунного кольца также наблюдается свечение жидкости, но более яркое, поскольку работа выхода у металлов составляет всего несколько Эв. На фиг. 4, а представлена схема эксперимента, которая подтверждает образование при электризации высоких потенциалов, достигающих 100 кВ и более. За фторопластовой стенкой помещалось небольшое латунное кольцо 2. Перед перемычкой за стенкой из органического стекла размещалась латунная сетка 1, на которой собирался положительный потенциал жидкости. Расстояние между сеткой и латунным кольцом 0.8 см. Электрическая прочность такого промежутка около 120 кВ. Она определялась по электрической прочности жидкости и оргстекла, которая равна 160 кВ/см. На фиг. 4, б представлена фотография разряда 3 между латунным кольцом и сеткой. Скорость жидкости около 3 м/с. Отрицательный заряд передается на латунное кольцо, которое становится катодом, а сетка — анодом. В этом промежутке возникает постоянный разряд, яркость которого слегка меняется из-за пульсаций давления в канале.
Непосредственное измерение микроамперметром тока между латунным кольцом и землей при разряде в коаксиальном канале с внутренним диаметром 5 мм показало, что эта величина достигает 20 мкА. Для каналов большего диаметра это значение также увеличится.
Для каналов различной толщины получен график зависимости скорости, при которой возникает свечение жидкости в переходной зоне фторопласт—оргстекло от толщины канала (фиг. 5). При этом оказалось, что форма каналов (цилиндрических или коаксиальных) никакой роли не играет. Главный параметр здесь — расстояние между стенками канала, т.е. толщина или диаметр канала. Для цилиндрического канала диаметром 0.15 см свечение возникает при скорости потока около 12 м/с. С уменьшением диаметра канала значение необходимой скорости падает и для канала 0.05 см составляет 4 м/с. Для коаксиального канала с зазором 0.03 см эта величина уменьшается до 2.5 м/с. Необходимый уровень электризации стенки канала для возникновения
Фиг. 5. Граница возникновения свечения жидкости в зависимости от толщины канала и скорости потока
свечения жидкости определяется градиентом скорости у стенки канала и для более тонкого канала он достигается при меньших значениях скорости.
Приведенный факт корреляции световых вспышек и радиопомех возможен только при наличии электрических разрядов и не возможен при тепловом нагреве кавитаци-онных пузырьков. Этот факт дополняет аргументы обзора [5] в пользу электрической теории сонолюминесценции.
Необходимо отметить хорошее согласование результатов модели электризации [5] с полученными экспериментальными результатами. В частности, в [7] приведены количественные оценки возможной электрической напряженности поля вблизи поверхности раздела газ—жидкость при учете двойного электрического слоя (Е « 109 В/м). В случае, когда начинают наблюдаться звукохимические эффекты (сопровождающиеся малыми колебаниями пузырьков) [5] для обычных условий в воде получено E = 1.5 х 107 В/м. Эта напряженность существенно выше значения, при котором наступает пробой в воздухе при обычных условиях (Е = 3 х 106 В/м); давление в пузырьке 1 атм, температура 293 К. Эти данные хорошо согласуются с представленным экспериментом и получены при обязательном присутствии кавитации (на поверхности раздела газ—жидкость), так как на границе раздела жидкости и твердого тела получаются другие оценки. Так, в [5] показано, что за счет электропроводности время стока заряда 0.3 мкс более чем на порядок меньше периода колебаний пузырька и много больше времени развития
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.