Файл: Мучник, В. М. Физика грозы.pdf

между действием вертикального и горизонтального полей обнару­ живается для Е0>1 • 105В/м. Так,для£0 = 2- 105В/м значение/(для капель R = 30 мкм и г = 5 мкм в горизонтальном поле примерно на 30% больше, чем в вертикальном. С увеличением напряженности

50 мкм следует, что с увеличением R различие в К для горизон­ тального и вертикального полей уменьшается.

В дальнейшем Пламли и Семонин [471], применив для электро­ статических сил взаимодействия между каплями более точное выражение, выполнили новые вычисления коэффициента эффек­ тивности соударения в горизонтальном и вертикальном электриче­ ских полях для той же области размеров капель. В результате выяснилось, что хотя значения коэффициентов несколько увеличи­ лись, но общие закономерности, на которые было указано выше, сохранились.

Семонин и Пламли [512] произвели затем вычисление с по­ мощью ЭВМ коэффициентов эффективности соударения заряжен­ ных капель в горизонтальном и вертикальном электрических по­ лях. Вычисления производились для соударения капель радиусом 30, 40 и 50 мкм с капельками радиусом 5 мкм. Кроме того, они вычислили коэффициенты для заряженных капель радиусом 30, 40 и 50 мкм, соударяющихся с капельками радиусом 5 и 10 мкм без электрического поля. На основании представлений Ганна [325] о заряжении капель было принято, что заряды пропорциональны поверхности капель и заряд капли равен заряду капельки, умно­ женному на квадрат отношения их радиусов, т. е. 1/ц. Так как эти данные представляют интерес, приведем некоторые из них. На рис. 10 показаны графики для случаев соударения разноименно заряженных капель. Из графиков следует, что заряды оказы­ вают большее действие на соударение капель с более мелкими ка­ пельками (5 мкм), чем с более крупными (10 мкм). При этом за­ метное влияние зарядов на коэффициент эффективности соударе­ ния в первом случае обнаруживается для зарядов на капельках, больших ІО-17 Кл, а для второго случая — больших ІО-16 Кл. Этот вывод находится в согласии с результатами вычислений Л. М. Ле­ вина [101].

Данные о коэффициентах эффективности соударения противо­ положно заряженных капель в горизонтальном электрическом поле приведены на рис. 11, в вертикальном поле — на рис. 12. Из рис. 12 следует, что если поле направлено под углом 0= 180°, капля заря­ жена положительно, а капелька — отрицательно, то при £’0 = 9Х ХІ04 В/м и выше и при сравнительно малых зарядах наблюдается некоторое увеличение коэффициента эффективности соударения по сравнению с отсутствием поля. Однако для больших зарядов на каплях поле приводит к уменьшению коэффициента эффективно­ сти соударения по сравнению со случаем, когда поле отсутствует. Здесь действия поля и зарядов компенсируют в какой-то степени друг друга. Но при этом все же наблюдается увеличение коэффи­

31

циента эффективности соударения за счет действия электростати­ ческих сил. Примерно такой же характер имеет зависимость коэф­ фициента эффективности соударения в случае горизонтального поля (0 = 90°). Однако имеются и некоторые различия в действиях вертикального и горизонтального полей. Так, в сильных горизон­ тальных полях, в особенности для r / R ^ 0,12, наблюдается появ­ ление минимума при зарядах на каплях порядка ІО-17 Кл. Затем

Рис. ІО. Зависимость коэффи­ циента эффективности соударе­ ния капель радиусом R и г от их зарядов qR и qr. По Семонину и Пламли [512].

происходит увеличение коэффициента эффективности соударения, причем несколько более значительное, чем в вертикальном поле.

Попытку учесть совместное действие турбулентности и электри­ ческих зарядов на коагуляцию капель предприняли Л. М. Левин и Ю. С. Седунов [105]. Они исходили из соображений, что на зна­ чительных расстояниях между каплями в основном действует тур­ булентная диффузия, а на малых расстояниях более эффективно действуют электрические силы. На этом основании пространство вокруг большой капли было условно разделено сферой, концен­ трической к ней, на две области — внутреннюю в пределах сферы, где основное действие оказывают электрические силы, и внешнюю вне сферы, где преимущественно действует турбулентный меха­ низм. Радиус граничной сферы определялся турбулентной длиной

32

вычислений Л. М. Левин и Ю. С. Седуиов пришли к выводу, что

совместное действие турбулентности и электрических зарядов не приводит к какому-либо заметному влиянию на величину коэффи­ циента эффективности соударения.

Экспериментальные исследования показали влияние электриче­ ских сил па коагуляцию капель. Так, опыты Н. А. Вагера [19] по осаждению тумана заряженными каплями воды выявили сущест­ вование положительного эффекта. Туман из капелек водного рас­ твора нашатыря создавался в камере смесью водяного пара, хло­ ристого водорода н аммиака. Он мог сохраняться более 2 ч. При воздействии па туман наэлектризованными мелкими каплями воды происходило быстрое изменение его прозрачности. Плотность от­ рицательных зарядов капель дистиллированной воды была около 2,5 • ІО-4 Кл/кг, положительных — около 5 • ІО-4 Кл/кг.

Подобные опыты были выполнены также Потенье [464]. Пуль­ веризацией в сосуде создавался туман с максимумом повторяе­ мости капелек радиусом около 7 мкм. Исследовалось изменение продолжительности существования тумана при введении в него капель радиусом 25—50 мкм. Обнаружилось значительно более быстрое его рассеивание в сосуде при поступлении в него заряженг ных капель вместо нейтральных.

Вадель [551] несколько видоизменил опыт Потенье. Он вносил в туман с максимумом повторяемости капелек радиусом 7 мкм с наибольшим радиусом 15 мкм капельки такого же спектра, ио заряженные в равном количестве зарядами противоположных зна­ ков. В результате происходило укрупнение капелек, которое выра­ жалось в смещении максимума повторяемости и наибольшего ра­ диуса в сторону больших значений, соответственно к радиусам 10

и20 мкм.

Вто же время из опытов Свинбенка [537] следует, что электри­ ческие силы взаимодействия капелек с разноименными зарядами

вэлектрическом поле не приводят к коагуляции. В этих опытах при образовании распылением воды капелек радиусом до 2 мкм возникали заряды противоположных знаков. Усиление соударения этих капелек электрическим полем также не приводило к их коа­ гуляции.

Опыты Н. А. Вагера, Потенье и Свинбенка носят качественный характер и поэтому позволяют сделать только ограниченные вы­ воды о влиянии электрических сил на соударение капель. Для выяснения этого вопроса необходимо иметь количественные дан­ ные о величине зарядов на каплях и напряженности поля. Пер­ вые такие данные получены в исследованиях Ганна и Хитчфельда [320]. В этих экспериментах капли радиусом 1,6 мм падали сквозь туман из капелек радиусом до 25 мкм. При заряжении капель зарядами до 7 • 10~п Кл не обнаруживалось изменение коэффици­ ента эффективности соударения, рассчитанное для нейтральных капель. Для капелек радиусом 10 мкм, получаемых распылением,

34

можно принять, что заряды равны 1,6-ІО-16 Кл. Подставляя эти

ментах Ганна и Хитчфельда получено согласие с данными вычис­ лении.

Телфорд и др. [549], исследуя соударение капель близких раз­ меров (около 65 мкм), обнаружили заметное влияние электриче­ ских зарядов на коагуляцию. Капли заряжались противополож­ ными зарядами в пределах от 1,6- ІО-13 до 1• ІО-12 Кл. Это приво­ дило к увеличению коэффициентов эффективности соударения в 2—3 раза по сравнению с нейтральными каплями. Такое увели­ чение находится в согласии с представлениями о том, что для ка­ пель сравнимых размеров роль электрических сил значительно возрастает по сравнению с каплями сильно отличающихся раз­ меров.

Кинцер и Кобб [361] наблюдали рост капель радиусом более 150 мкм при соударениях со сравнительно сильно заряженными капельками радиусом до 18 мкм. Они не обнаружили какого-либо заметного влияния зарядов капелек на рост капель указанных размеров.

Телфорд и Торндайк [548] исследовали влияние горизонталь­ ного электрического поля на коагуляцию капель радиусом от 15 до 17,5 мкм. Если при сближении таких капель без электрического поля их коагуляция не наблюдалась, то в сильных электрических полях слияние капель имело место. При напряженности поля от ІО5 до 3- ІО5 В/м из 73 случаев сближения капель 14 сопровожда­ лось слиянием. При этом чем выше напряженность поля, тем больше число случаев слияния. При напряженности поля меньше 1,5 • ІО4 В/м слияние капель не наблюдалось.

Луан Фан Конг и Иордан [402], проводя опыты в камере, воз­ действовали электрическим полем на туман с капельками диамет­ ром меньше 20 мкм. Поля напряженностью меньше 1,8-ІО4 В/м не вызывали какого-либо изменения плотности тумана. В преде­ лах от 1,8-ІО4 до 1,5-ІО5 В/м рассеяние тумана происходило с тем большей скоростью, чем больше была напряженность поля.

Известны также попытки оценить влияние электрических сил на соударение капель на основании опытов на моделях. Сартор [494] в результате исследований движения капель дистиллирован­ ной воды, падающих в минеральном масле, пришел к выводу, что при достаточно сильных электрических полях (2 -ІО4 В/м) коэф­ фициент эффективности соударения превышает единицу.

Из экспериментов Нейбургера и Пруппахера [454] следует, что даже весьма большие заряды (до 2 • 10® Кл) на шариках из кар­ бида вольфрама радиусом около 4 мм, падающих в керосине, ко­ торыми моделировались облачные капли, не оказывают влияния на коэффициент эффективности соударения. Так как при модели­