Применение новых численных моделей электрогидродинамики двухфазных жидкостей для исследования ключевых процессов в электродегидраторах и возможности улучшения их характеристик (промежуточный, этап 2)

За отчётный период работы выполнялась по следующим направлениям: а) изучение влияния заряженных слоёв на порог коалесценции и декоалесценции; б) расчёт порога и режимов декоалесценции для заряженных капель и для капель различающихся радиусов; в) исследование электрокоалесценции в системе «капля-слой»; г) определение влияния частоты и фазы напряжения на электрокоалесценцию незаряженных капель при импульсном напряжении; д) анализ безразмерных параметров и диапазона условий, когда безразмерные параметры позволяют обобщать результаты; е) подготовка статей и представление докладов на профильных конференциях. На основе модели, разработанной на первом этапе Проекта, создана более сложная компьютерная модель, позволяющая рассчитывать объединение двух изначально незаряженных проводящих капель, взвешенных в масле с ненулевой удельной электрической проводимостью. На основе этой модели были проведены расчёты электрокоалесценции и декоалесценции для различных значений напряжённости электрического поля и для капель различных радиусов в диапазоне от 0.3 до 2.0 мм. Было установлено, что при равенстве значений подвижности противоположно заряженных ионов в масле появление приинтерфейсных заряженных слоёв снижает порог декоалесценции. Однако это снижение для всего диапазона смоделированных радиусов капель составляет не более 4%. Было завершено моделирование карты режимов декоалесценции для системы двух одинаковых незаряженных капель. Далее была модифицирована численная модель для возможности расчёта процессов электрокоалесценции пары заряженных капель и капель различающегося размера, в т.ч. реализован алгоритм построения перемычки между каплями в произвольном месте встречи (контакта) двух капель. Установлено, что порог перехода к декоалесценции повышается по мере увеличения заряда на каплях (при условии, что капли заряжены противоположно). Повышение порога при характерном значении заряда на каплях находится в диапазоне от 10 до 20%. При характерном заряда на каплях с радиусом около 1 мм режим декоалесценции при околопороговых значениях напряжённости электрического поля сменяется с образования трёх капель на электрораспыление, что крайне негативно для электродегидратора. Но для капель малого радиуса (порядка 0.1 мм) режим декоалесценции около пороговой напряжённости электрического поля остаётся неизменным - образуются две капли (что на исходной карте режимов декоалесценции было названо режимом «отскока»). Для капель различающихся радиусов в численном моделировании установлено, что при частичной коалесценции при умеренных значениях напряжённости электрического поля отделение дочерней капли происходит не в том месте, где возникает перемычка между каплями, а в области внешнего (дальнего) полюса меньшей капли. Ключевой результат состоит в том, что для исследованного случая с радиусом первой капли 1 мм почти все исходы декоалесценции являются негативными, поскольку образуется множество мелких капель. Это означает, что для корректной работы электродегидратора нежелательно позволять каплям увеличиваться в размерах до 1 мм. Настроена численная модель, позволяющая рассчитывать электрокоалесценцию в системе капля-слой. В этой модели введён учёт силы тяжести и выбраны и оптимизированы вертикальный и радиальный размеры. Построена карта исходов частичной коалесценции и декоалесценции для случая взаимодействия незаряженной капли со слоем воды при воздействии постоянным напряжением в диапазоне радиусов от 0.25 до 2.5 мм. Установлено, что порог перехода к частичной коалесценции примерно двукратно ниже, чем переход к растяжению капли в перемычку, тогда как последний находится лишь немного (около 10%) ниже порога разрыва одиночной капли. Установлено, существует такая напряжённость электрического поля, при которой большие капли (с радиусом 1 мм и более) всегда полностью объединяются со слоем, что может быть непосредственно использовано при настройке электродегидраторов. Проведены расчёты коалесценции в системе капля-капля для широкого диапазона частот импульсного напряжения в диапазоне от 0.1 до 10 характерных (собственных) частот капли с особой детализацией в области около характерной частоты. Показано, что при малых частотах (по сравнению с собственной частотой колебания капли) порог для двух одинаковых незаряженных капель при импульсном напряжении соответствует порогу перехода от коалесценции к декоалесценции для постоянного напряжения с амплитудным значением равным амплитуде импульсного. С ростом частоты порог повышается, но его предел при увеличении частоты соответствует той амплитуде импульсного сигнала, при которой действующее значение этого импульсного напряжения совпадает с исходным значением амплитуды постоянного напряжения. Тем самым, увеличение эффективности электроочистки при частотах много меньше и много больше собственной (характерной) частоты колебания капель не происходит. Помимо прочего установлено, что при высоких частотах изменяются исходы декоалесценции - вместо разделения на три капли происходит растяжение объединённой капли в перемычку и её распыление. Проведён детальный анализ безразмерных параметров, которые характерны для данной задачи. Проанализированы значения электрического числа Вебера (также называемого электрическим капиллярным числом), при которых происходит переход от коалесценции к декоалесценции в случае двух одинаковых незаряженных капель. Построены зависимости электрического числа Вебера (которое характеризует соотношение кулоновской силы и силы поверхностного натяжения) от числа Онезорге (которое является безразмерным представлением радиуса капли). Показано, что при использовании электрического числа Вебера и числа Онезорге данные по порогу перехода от коалесценции к декоалесценции для одинаковых незаряженных капель обобщаются и ложатся на одну характерную кривую в широком диапазоне входных параметров - типов жидкостей, радиусов капель, вязкости жидкости и размеров межэлектродного промежутка. Соответствующее значение электрического числа Вебера почти константа (0.185) и остаётся в диапазоне от 0.17 до 0.20 при варьировании числа Онезорге на 2 порядка (т.е. при изменении радиуса капли на 4 порядка). Опубликовано 5 журнальных статей и сделано 9 докладов на конференциях.