techusguИзвестия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологииProceedings of the Southwest State University. Series: Engineering and Technology2223-1528Юго-Западный государственный университет10.21869/2223-1528-2022-12-4-194-208techusgu-29Research ArticleФИЗИКАPHYSICSК расчёту замкнутой гидравлической ЭГД-системыTo the Calculation of a Closed Hydraulic EHD Systemhttps://orcid.org/0000-0001-9698-6123КузькоА. Е.KuzkoA. E.

Кузько Андрей Евгеньевич, кандидат  физико-математических наук, доцент кафедры нанотехнологий, общей и прикладной физики

ул. 50 лет Октября 94, г. Курск 305040

Researcher ID: 7801324495 

Andrey E. Kuzko, Cand. of Sci. (Physics and Mathematics), Associate Professor of the Department of Nanotechnology, General and Applied Physics

50 Let Oktyabrya Str. 94, Kursk 305040

Researcher ID: 7801324495 

kuzko@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-5635-8149ЖакинА. И.ZhakinA. I.

Жакин Анатолий Иванович, доктор физикоматематических наук, профессор кафедры нанотехнологий, микроэлектроники, общей  и прикладной физики

ул. 50 лет Октября 94, г. Курск 305040

Anatoly I. Zhakin, Dr. of Sci. (Physics and Mathematics), Professor of the Department of Nanotechnology, Microelectronics, General and Applied Physics

50 Let Oktyabrya Str. 94, Kursk 305040

zhakin@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-9966-9625КузькоА. В.KuzkoA. V.

Кузько Анна Витальевна, кандидат физикоматематических наук, доцент кафедры  нанотехнологий, общей и прикладной физики

ул. 50 лет Октября 94, г. Курск 305040

Researcher ID: 55975380100

Anna V. Kuzko, Cand. of Sci. (Physics and Mathematics), Associate Professor of the Department of Nanotechnology, General and Applied Physics

50 Let Oktyabrya Str. 94, Kursk 305040

avkuzko@mail.ruБондаревМ. А.BondarevM. A.

Бондарев Михаил Алексеевич, студент направления подготовки нанотехнологии  и микросистемная техника

ул. 50 лет Октября 94, г. Курск 305040

Mikhail A. Bondarev, Student of the Direction  of training in nanotechnology and microsystem technology

50 Let Oktyabrya Str. 94, Kursk 305040

 

misha.bondarev.2003@mail.ruЖуковГ. А.ZhukovG. A.

Жуков Григорий Алексеевич, студент направления подготовки нанотехнологии  и микросистемная техника

ул. 50 лет Октября 94, г. Курск 305040

Grigory A. Zhukov, Student of the Direction  of Training in Nanotechnology and Microsystem Technology

50 Let Oktyabrya Str. 94, Kursk 305040

grisha.zhukov.0303@mail.ruЮго-Западный государственный университетРоссияSouthwest State UniversityRussian Federation202226042023124194208Copyright © Кузько А.Е., Жакин А.И., Кузько А.В., Бондарев М.А., Жуков Г.А., 20232023Кузько А.Е., Жакин А.И., Кузько А.В., Бондарев М.А., Жуков Г.А.Kuzko A.E., Zhakin A.I., Kuzko A.V., Bondarev M.A., Zhukov G.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://techusgu.elpub.ru/jour/article/view/29Цель

Цель. Изучить возможность описания электрогидродинамических процессов в ЭГД-преобразователе с плоскопараллельными сеточными электродами с учетом местных гидравлических сопротивлений.

Методы

Методы. Методом интегральных соотношений и обезразмеривания переменных, определяющих силовой параметр кулоновского поля и гидравлическое сопротивление, с одной стороны, и величину униполярного зарядообразования – с другой, получены практически важные соотношения для цилиндрической ЭГДсистемы. Путём табулирования безразмерных параметров, характеризующих систему, рассмотрены эффективные режимы работы сеточного цилиндрического ЭГД-преобразователя. Методом использования эмпирических соотношений гидравлики сделана оценка влияния местных гидравлических сопротивлений на напорные характеристики системы. Проведено сравнение расчётов с экспериментальной моделью. Результаты. Рассмотрены режимы работы сеточного ЭГД-преобразователя, включённого в замкнутый гидравлический контур, в зависимости от безразмерных переменных, выражающих с одной стороны, уровень инжекции заряда одного из электродов, и с другой – силовую характеристику электрического поля и величину гидравлического сопротивления внешнего контура круглого сечения. Сделана инженерная оценка влияния на падение напора местных гидравлических сопротивлений, сеток электродов с заданной геометрией и внезапных расширений и сужений потока рабочей жидкости на переменных сечениях конкретной цилиндрической конструкции ЭГД-системы. 

Заключение

Заключение. При фиксированном безразмерном параметре, характеризующем гидравлическое сопротивление внешнего контура, и силовое воздействие межэлектродного электрического поля, существуют интервальные значения параметра, определяющего инжекцию зарядов, при которых эффективность сеточной ЭГД-системы максимальна. Даже при малых скоростях движения сопротивление сеточных электродов существенно уменьшают создаваемое насосом давление (до 50%). При больших гидравлических сопротивлениях, соответствующих статическим напорным характеристикам, рассмотренная модель удовлетворительно описывает характеристики ЭГД-системы.

The purpose

The purpose. To study the possibility of describing electrohydrodynamic processes in an EHD transducer with planeparallel grid electrodes, taking into account local hydraulic resistances.

Methods

Methods. Using the method of integral relations and non-dimensionalization of variables that determine the force parameter of the Coulomb field and hydraulic resistance, on the one hand, and the value of unipolar charge formation, on the other, practically important relations for a cylindrical EHD system are obtained. By tabulating the dimensionless parameters characterizing the system, the effective modes of operation of a grid cylindrical EHD transducer are considered. The method of using the empirical relations of hydraulics made an assessment of the influence of local hydraulic resistance on the pressure characteristics of the system. Comparison of calculations with experimental model is carried out.

Results

Results. The modes of operation of a grid EHD transducer included in a closed hydraulic circuit are considered depending on dimensionless variables, on the one hand, expressing the level of charge injection of one of the electrodes, and, on the other hand, the power characteristic of the electric field and the magnitude of the hydraulic resistance of the external contour of a circular cross section . An engineering assessment is made of the influence of local hydraulic resistances, electrode grids with a given geometry, and sudden expansions and contractions of the working fluid flow on variable sections of a specific cylindrical structure of the EHD system on the pressure drop.

Conclusion

Conclusion. For a fixed dimensionless parameter that characterizes the hydraulic resistance of the external circuit and the force effect of the interelectrode electric field, there are interval values of the parameter that determines charge injection, at which the efficiency of the grid EHD system is maximum. Even at low speeds, the resistance of the mesh electrodes significantly reduces the pressure created by the pump (up to 50%). At high hydraulic resistances corresponding to static pressure characteristics, the considered model satisfactorily describes the characteristics of the EHD system.

инжекция зарядовэлектрогидродинамический преобразователькоэффициент полезного действиягидравлическое сопротивлениеcharge injectionelectrohydrodynamic converterefficiencyhydraulic resistanceИсследование выполнено при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ (г/з 2020 № 0851-2020-0035), в рамках реализации программы стратегического академического лидерства «Приоритет-2030» (Соглашение № 075-15-2021-1213).The study was financially supported by the Ministry of Education and Science of the Russian Federation (g/z 2020 No. 0851-2020-0035), as part of the strategic academic leadership program "Priority-2030" (Agreement No. 07515-2021-1213).ReferencesЖакин А. И. О некоторых расчетных схемах ЭГД насосов на основе редокс-систем // Электронная обработка материалов. 1988. № 3. C. 35–37.Zhakin A. I. O nekotorykh raschetnykh skhemakh EGD nasosov na osnove redoks-sistem [On some design schemes for EHD pumps based on redox systems]. Elektronnaya obrabotka materialov = Electronic processing of materials, 1988, no. 3, рр. 35–37.Полянский В. А., Панкратьева И. Л. Моделирование электрогидродинамических течений в слабопроводящих жидкостях // Прикладная механика и теоретическая физика. 1995. Т. 36, № 4. С. 36–43.Polyansky V. A., Pankratieva I. L. Modelirovanie elektrogidro-dinamicheskikh techenii v slaboprovodyashchikh zhidkostyakh [Modeling of electrohydrodynamic flows in weakly conductive liquids]. Prikladnaya mekhanika i teoreticheskaya fizika = Applied mechanics and theoretical physics, 1995, vol. 36, no. 4, pp. 36–43.Кузнецов С. Ф., Молотов П. Е., Паринов Ю. В. Зависимость КПД ЭГД насосов от гидросопротивления насосов // Электронная обработка материалов. 1988. № 1. С. 43–45.Kuznetsov S. F., Molotov P. E., Parinov Yu. V. Zavisimost' KPD EGD nasosov ot gidrosoprotivleniya nasosov [Dependence of efficiency of EHD pumps on hydraulic resistance of pumps]. Elektronnaya obrabotka materialov = Electronic processing of materials, 1988, no. 1, рр. 43–45.Моделирование нестационарных процессов в каналах ЭГД-насоса / А. А. Вартанян, В. В. Гогосов, В. А. Полянский, К. В. Полянский, Г. А. Шапошникова // Механика жидкости и газа. 1994. № 3. С. 30–41.Vartanyan A. A., Gogosov V. V., Polyansky V. A., Polyansky K. V., Shaposhnikova G. A. Modelirovanie nestatsionarnykh protsessov v kanalakh EGD-nasosa [Modeling of non-stationary processes in the channels of the EHD pump]. Mekhanika zhidkosti i gaza = Mechanics of liquid and gas, 1994, no. 3, pp. 30–41.Стишков Ю. К., Остапенко А. А. Электрогидродинамические течения в жидких диэлектриках. Л.: Изд-во ЛГУ, 1989. 176 с.Stishkov Yu. K., Ostapenko A. A. Elektrogidrodinamicheskie techeniya v zhidkikh dielektrikakh [Electrohydrodynamic flows in liquid dielectrics]. Leningrad, Leningrad St. Univ. Publ., 1989. 176 p.Кузнецов С. Ф., Молотов П. Е., Паринов Ю. В. К теории электрогидродинамического эффекта // Магнитная гидродинамика. 1986. № 2Б. С. 94–99.Kuznetsov S. F., Molotov P. E., Parinov Yu. V. K teorii elektrogidrodinamicheskogo effekta [To the theory of electro-hydrodynamic effect]. Magnitnaya gidrodinamika = Magnitnaya hydrodynamics, 1986, no. 2B, рр. 94–99.Стишков Ю. К., Остапенко А. А., Макаров П. А. Электрогидродинамические преобразователи // Магнитная гидродинамика. 1982. № 2. С. 120–125.Stishkov Yu. K., Ostapenko A. A., Makarov P. A. Elektrogidro-dinamicheskie preobrazovateli [Electrohydrodynamic transducers]. Magnitnaya gidrodinamika = Magnetic hydrodynamics, 1982, no. 2, pp. 120–125.Кожевников И. В. Теплообмен в замкнутых циркуляционных контурах под воздействием электрического поля: дис. … канд. техн. наук. Кишинев, 1993. 207 с.Kozhevnikov I. V. Teploobmen v zamknutykh tsirkulyatsionnykh konturakh pod vozdeistviem elektricheskogo polya. Diss. kand. tekhn. nauk [Heat transfer in closed circulation circuits under the influence of an electric field. Cand. eng. sci. diss.]. Kishinev, 1993. 207 p.Экспериментальное исследование электрогидродинамического насоса / М. К. Болога, И. А. Кожухарь, В. П. Усенко, В. Л. Шкилев, О. И. Мардарский // ЭОМ. 1982. № 5. С. 74–76.Bologa M. K., Kozhukhar' I. A., Usenko V. P., Shkilev V. L., Mardarsky O. I. Eksperimental'noe issledovanie elektrogidrodinamicheskogo nasosa [Experimental study of an electrohydrodynamic pump]. EOM, 1982, no. 5, pp. 74–76.А. с. 1050531 СССР, МКИ Н 02 N 3/00. Электрогидродинамический насос / И. А. Кожухарь, В. Д. Шкилев, М. К. Болога, Т. А. Вольшина; Институт прикладной физики АН МССР (СССР). № 3427071/24–25; заявл. 23.04.82. ДСП.Kozhukhar I. A., Shkilev V. D., Bologa M. K., Volshina T. A. Elektrogidrodinamicheskii nasos [Electrohydrodynamic pump]. Patent USSR, no. 3427071/24–25, 1982.Стишков Ю. К. Электрофизические процессы в жидкостях при воздействии сильных электрических полей: монография. М.: Юстицинформ, 2019. 262 с.Stishkov Yu. K. Elektrofizicheskie protsessy v zhidkostyakh pri vozdeistvii sil'nykh elektricheskikh polei [Electrophysical processes in liquids under the influence of strong electric fields]. Moscow, Yustitsinform Publ., 2019. 262 p.Ролдугин В. И. Самоорганизация наночастиц на межфазных поверхностях // Успехи химии. 2004. Т. 73, № 2. С. 123–156.Roldugin V. I. Samoorganizatsiya nanochastits na mezhfaznykh poverkhnostyakh [Self-organization of nanoparticles on interfacial surfaces]. Uspekhi khimii = Advances in Chemistry, 2004, vol. 73, no. 2, рр. 123–156.Liu M., Yang Q., Wu S. Space charge injection behaviors and dielectric characteristics of nanomodified transformer oil using different surface condition electrodes // AIP Adv. 2019. Vol. 9, is. 3. P. 035319.Liu M., Yang Q., Wu S. Space charge injection behaviors and di-electric characteristics of nanomodified transformer oil using different surface electrode conditions. AIP Adv., 2019, vol. 9, is. 3, рр. 035319.Effect of surface modification of electrodes on charge injection and dielectric characteristics of propylene carbonate / S. Wu, Q. Yang, T. Shao, Z. Zhang, L. Huang // High Voltage. 2020. Vol. 5, is. 1. P. 15–23.Wu S., Yang Q., Shao T., Zhang Z., Huang L. Effect of surface modifi-cation of electrodes on charge injection and dielectric characteristics of pro-pylene carbonate. High Voltage, 2020, vol. 5, is. 1, pp. 15–23.Russel M., Selvaganapathy P., Ching C. Effect of electrode surface topology on charge injection characteristics in dielectric liquids: an experimental study // J. Electrostat. 2014. Vol. 72, is. 6. P. 487–492.Russel M., Selvaganapathy P., Ching C. Effect of electrode surface topology on charge injection characteristics in dielectric liquids: an experimental study. J. Electrostat., 2014, vol. 72, is. 6, pp. 487–492.Stability, thermo-physical and electrical properties of naphthenic/POME blended transformer oil nanofluids / R. Walvekar, D. A. Zairin, M. Khalid, Р. Jagadish [et al.] // Therm. Sci. Eng. Prog. 2021. Vol. 23. Р. 100878.Walvekar R., Zairin D. A., Khalid M., Jagadish R., eds. Stability, thermo-physical and electrical properties of naphthenic/POME blended trans-former oil nanofluids. Therm. sci. Eng. Prog., 2021, vol. 23, рр. 100878.Transformer oil based multi-walled carbon nanotube–hexylamine coolant with optimized electrical, thermal and rheological enhancements / A. Amiri, S. N. Kazi, M. Shanbedi, M. N. Mohd Zubir [et al.] // RSC Adv., 2015. Vol. 130. P. 107222.Amiri A., Kazi, S. N., Shanbedi M., Mohd Zubir M. N., eds. Transformer oil based multi-walled carbon nanotube–hexylamine coolant with opti-mized electrical, thermal and rheological enhancements. RSC Adv., 2015, no. 130, p. 107222.Beheshti A., Shanbedi M., Heris S. Z. Heat transfer and rheological properties of transformer oiloxidized MWCNT nanofluid // J. Therm. Anal. Calorim. 2014. Vol. 118, no. 3. P. 1451.Beheshti A., ShanbediM., Heris S. Z. Heat transfer and rheological properties of transformer oiloxidized MWCNT nanofluid. J. Therm. Anal. Calorim., 2014, vol. 118, no. 3, p. 1451.Кузько А. Е. Особенности изменения микрорельефа поверхностей электродов при электроконвекции в ПМС-50 // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Физика и химия. 2014. № 1. С. 24–30.Kuzko A. E. Osobennosti izmeneniya mikrorel'efa poverkhnostei elektrodov pri elektrokonvektsii v PMS-50 [Peculiarities of changes in the microrelief of electrode surfaces during electroconvection in PMS-50]. Izvestiya Yugo-Zapadnogo gosudarstvennogo universiteta. Seriya: Fizika i khimiya = Proceedings of the Southwest State University. Series: Physics and Chemistry, 2014, no. 1, рр. 24–30.Кузько А. Е., Кузьменко А. П., Лазарев А. Н. Использование АСМ в расчёте инжекции зарядов при электроконвекции // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Физика и химия. 2013. № 2. С. 32–37.Kuzko A. E., Kuzmenko A. P., Lazarev A. N. Ispol'zovanie ASM v raschete inzhektsii zaryadov pri elektrokonvektsii [The use of AFM in the calculation of charge injection during electroconvection]. Izvestiya Yugo-Zapadnogo gosudarstvennogo universiteta. Seriya: Fizika i khimiya = Bulletin of the Southwest State University. Series: Physics and Chemistry, 2013, no. 2, рр. 32–37.Жакин А. И., Кузько А. Е. Теория осесимметричного электрогидродинамического насоса // Электронная обработка материалов. 2000. № 4. С. 44–53.Zhakin A. I., Kuzko A. E. Teoriya osesimmetrichnogo elektrogidrodinamicheskogo nasosa [Theory of an axisymmetric electrohydrodynamic pump]. Elektronnaya obrabotka materialov = Electronic Processing of Materials, 2000, no. 4, рр. 44–53.Жакин А. И., Лунёв С. А. Анализ работы сеточного ЭГД насоса, включённого в замкнутый гидравлический контур. Часть 1. Приближённая теория // Магнитная гидродинамика. 1998. Т. 34, № 3. С. 273–279.Zhakin A. I., Lunev S. A. Analiz raboty setochnogo EGD nasosa, vklyuchennogo v zamknutyi gidravlicheskii kontur 1. Priblizhennaya teoriya [Analysis of the operation of a grid EHD pump included in a closed hydraulic circuit 1. Approximate theory]. Magnitnaya gidrodinamika = Magnetic hydrodynamics, 1998, vol. 34, no. 3, рр. 273–279.Альтшуль А. Д., Киселёв П. Г. Гидравлика и аэродинамика. М.: Стройиздат, 1975. 326 с.Altshul A. D., Kiselev P. G. Gidravlika i aerodinamika [Hydraulics and aerodynamics]. Moscow, Stroyizdat Publ., 1975. 326 p.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.