Моделирование динамики зарядообразования в ЭГД-системах с различными электродами

Цель. Провести численное моделирование электрогидродинамических теплообменных процессов для диэлектрических жидкостей в различных системах электродов. Получить математическую модель численных расчетов электрогидродинамических течений и теплообменных свойств электрогидродинамических систем методом конечных элементов; разработать программу на языке программирования C++, реализующую полученную модель; провести численное моделирование электрогидродинамических течений для диэлектрических жидкостей в различных системах электродов.

Методы. Численное моделирование ЭГД-процессов производилось посредством метода конечных элементов с использованием библиотеки «FreeFem++» для языка программирования C++, реализующей основные алгоритмы данного численного метода решения дифференциальных уравнений в частных производных. В качестве теоретической модели, описывающий ЭГД-процессы, была выбрана трехионная модель. В качестве модели вычислительной гидродинамики была использована k-ε-модель турбулентности.

Результаты. Получена программа, реализующая трехионную модель ЭГД-процессов в численных расчетах электрогидродинамических течений методом конечных элементов для двумерного случая, проведено численное моделирование электрогидродинамических течений, а также расчет плотности инжекционного и примесного заряда, для диэлектрических жидкостей в системах электродов типа «два параллельных провода», «игла над плоскостью» и «плоский конденсатор».

Вывод. Полученная программная реализация применения трехионной модели для численных расчетов ЭГДпроцессов позволяет проводить моделирование ЭГД-течений в различных системах электродов, что может быть полезно для теоретического анализа перспектив применения той или иной геометрии электродов в практических целях.

1. Кузьменко А. П., Кузько А. Е., Тимаков Д. И. Влияние на зарядообразование электрических полей на поверхностях наноструктурированных // Журнал технической физики. 2013. Т. 83, № 2. С. 91–96.

2. Барсук Е. С., Жиленкова Д. Э., Кузько А. Е. Электродные системы сеточных ЭГДнасосов и перспективы их развития // Современные инструментальные системы, информационные технологии и инновации: сборник научных трудов XVI Международной научно-практической конференции. Курск: Университетская книга, 2021. С. 55–61

3. Study of transient processes and the influence of the surface structure of electrodes on heat transfer in a wire EHD heat exchanger / A. I. Zhakin, A. E. Kuzko, P. A. Belov, A. N. Lazarev // Electronic processing of materials. 2011. Vol. 47 (3). Р. 54–60.

4. Структурирование на межфазных границах в процессе электроконвекции / П. В. Абакумов, А. И. Жакин, А. П. Кузьменко, А. Е. Кузько, Д. И. Тимаков // Известия Юго-Западного государственного университета. 2011. № 1. С. 38–44.

5. Жакин А. И. Ионная электропроводность и комплексообразование в жидких диэлектриках // Успехи физических наук. 2003. № 1. С. 51–68.

6. Жакин А. И. Электрогидродинамика // Успехи физических наук. Обзоры актуаль-ных проблем. 2012. № 5. С. 495–520.

7. Жакин А. И. Приэлектродные и переходные процессы в жидких диэлектриках // Успехи физических наук. 2006. № 3. С. 289–310.

8. Стишков Ю. К., Чирков В. А. Особенности структуры приэлектродных диссоциационно-рекомбинационных заряженных слоев при разных уровнях низковольтной проводимости слабопроводящей жидкости // Журнал технической физики. 2013. № 83(12). С. 119–127.

9. Pohl H. Ackland some effects of nonuniform fields on dielectrics // Journal of Applied Physics. 1958. Vol. 29. P. 1182–1188.

10. Smits A. J. Lectures in fluid mechanics: Viscous flows and turbulence / Department of Mechanical Engineering. Princeton, Princeton University, 2009. 432 р.

11. Wilcox D. C. Turbulence modeling for computational fluid dynamics. Third edition. DCW Industries, inc. 2006. 536 р.

12. Jones W. P., Launder B. E. The prediction of laminarization with a two-equation model of turbulence // International journal of heat and mass transfer. 1972. Vol. 15(2). P. 301–314.

13. Kuzmin D., Mierka O. On the implementation of the k−ε turbulence model in incompressible flow solvers based on a finite element discretization. Dortmund, Germany, University of Dortmund, 2006. P. 1–8.

14. Hecht F. New development in FreeFem++ // Journal of numerical mathematics. 2012. Vol. 20(3–4). P. 251–266.

15. Кузько А. Е. Исследование электрофизических процессов в электрогидродинамических устройствах: дис. … канд. физ.-мат. наук. Курск, 2002. 167 с.

16. Жакин А. И., Кузько А. Е. Электроконвективный теплообмен через пограничные слои // Теплофизика высоких температур. 2001. Т. 39, № 5. С. 79–89.

17. Жакин А. И. Электрогидродинамика заряженных частиц // Успехи физических наук. 2013. Т. 183, № 2. С. 153–177.

18. 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.

19. Стишков Ю. К., Чирков В. А. Компьютерное моделирование ЭГД-течений в системе электродов игла-плоскость // Журнал технической физики. 2008. Т. 11, № 78. С. 17–23.

20. Стишков Ю. К. Электрофизические процессы в жидкостях при воздействии сильных электрических полей: монография. М.: Юстицинформ, 2019. 262 с.