Способ возбуждения внутренних волн в электропроводящих стратифицированных жидкостях
METHOD FOR EXCITATION OF INTERNAL WAVES IN ELECTRIC CONDUCTING STRATIFIED FLUIDS

Изобретение относится к средствам экспериментальной гидромеханики, в частности к способам создания искусственного волнения внутри электропроводящей жидкости (волнопродукторам). Данный способ может быть применен для исследования волновых процессов внутри жидкости, для исследования взаимодействия поверхностных волн с внутренними волнами, а также для создания стационарных и нестационарных потоков в электропроводящей жидкости. Он может быть использован при поведении экспериментов в лабораторных условиях для небольших опытовых бассейнов.
Известны способы для возбуждения внутренних волн в стратифицированных жидкостях: механические, тепловые, воздушные и др. Как правило, все они размещаются внутри объема жидкости, в котором возбуждаются внутренние волны. В качестве аналогов выбраны следующие способы возбуждения волн:
«Волнопродуктор опытовых бассейнов», Абатуров С.Б., Ефимов Г.А., авторское свидетельство №307935, кл. В63В 9/08, от 01.07.1971. В данном устройстве реализуется механический способ возбуждения внутренних волн с помощью волнообразующего щита, связанного с приводом через механическую передачу, возбуждающую колебания щита.
Недостатком известного решения является то, что при движении волнообразующего щита возникают турбулентные течения, которые искажают форму формируемой волны, что вызывает увеличение нелинейных искажений.
«Волнопродуктор», Богатырев С.Д., Медведев Л.Н. и др., авторское свидетельство SU 1070438, кл. G01М 10/00, от 29.11.1982 г. Работа этого устройства основана на способе изменения плавучести трубы, помещенной в области пикноклина, путем заполнения ее водой с последующим ее вытеснением воздухом.
Недостатком известного решения является то, что этот способ требует больших энергозатрат и не позволяет возбуждать внутренние волны в высокочастотной области в связи с большой инерционностью колеблющегося тела.
Наиболее близким по существу к предлагаемому изобретению и принятым за прототип является способ с использованием теплового нагревателя, расположенного под пикноклином (SU 1543275 от 15.02.1990 г., G01M 10/00), принцип работы которого основан на уменьшении плотности жидкости в области нагревателя и создании потока жидкости, направленного вверх, что вызывает возмущение границы раздела слоев жидкостей с различной плотностью и возникновение внутренних волн.
Недостатками известного решения являются размещение нагревательного элемента внутри жидкости, создание возмущающего потока жидкости, направленного только вверх, большое потребление энергии и нагрев жидкости. Все эти недостатки искажают картину волнового поля внутренних волн и приводят к увеличению нелинейных искажений формируемых волн. Кроме того, нагрев жидкости приводит к нестационарным условиям проведения эксперимента.
Задачей настоящего изобретения является уменьшение нелинейных искажений внутренних волн и снижение потребляемой энергии.
Поставленная задача решается благодаря тому, что в способе возбуждения внутренних волн в электропроводящих стратифицированных жидкостях путем создания возмущающего пикноклин потока жидкости имеются следующие отличия: возмущающий пикноклин поток жидкости имеет знакопеременное направление (вверх и вниз) за счет силы Ампера, возникающей при взаимодействии знакопеременного тока, протекающего между электродами, установленными параллельно на внутренней стороне боковых стенок бассейна, с магнитным полем постоянного магнита, установленного на внешней стороне торцевой стенки бассейна.
В предлагаемом способе нет нагрева жидкости, отсутствуют конструкции внутри жидкости, где формируются внутренние волны, а возмущающий поток имеет знакопеременное направление (вверх и вниз).
В отличие от прототипа в предлагаемом способе нет никаких конструкций внутри бассейна, искажающих форму формируемой внутренней волны, а возмущающий пикноклин поток имеет знакопеременное направление (вверх и вниз).
Сущность изобретения заключается в том, что возмущающий поток, вызывающий колебания границы раздела слоев жидкости с различной плотностью (пикноклин), создается силой Ампера, возникающей при взаимодействии знакопеременного тока, протекающего между электродами в жидкости, и магнитным полем постоянного магнита. Предлагаемый способ реализуется с помощью электродов, установленных параллельно на внутренней стороне боковых стенок бассейна, источника знакопеременного напряжения и постоянного магнита, установленного на внешней стороне торцевой стенки бассейна.
Сущность изобретения поясняется чертежами - Фиг. 1 (вид сверху) и Фиг. 2 (вид сбоку), на которых представлена схема реализации способа возбуждения внутренних волн и приняты следующие обозначения:
1 - источник знакопеременного напряжения;
2 - электроды;
3 - бассейн;
4 - направление тока;
5 - вектор магнитной индукции постоянного магнита;
6 - постоянный магнит;
7 - направление силы Ампера;
8 - граница раздела жидкостей (пикноклин);
9 - нижний слой жидкости;
10 - верхний слой жидкости.
Предлагаемый способ возбуждения внутренних волн заключается в том, что электроды 2 установлены параллельно на внутренней стороне боковых стенок бассейна 3 и подсоединены к источнику знакопеременного напряжения 1, постоянный магнит 6 установлен с внешней стороны торцевой стенки бассейна 3.
Бассейн 3 или его торцевая стенка, на внешней стороне которой установлены постоянный магнит 6, выполнены из немагнитного материала для того, чтобы магнитное поле проникало в объем жидкости, где протекает знакопеременный ток. Источник знакопеременного напряжения 1 формирует ток, изменяющийся по направлению, амплитуде и частоте. Электроды 2, через которые протекает ток, установлены параллельно на внутренней стороне боковых стенок бассейна 3, на линии границы раздела слоев жидкостей 8 с различной плотностью. Постоянный магнит 6 установлен на внешней стороне торцевой стенки бассейна 3.
Предлагаемый способ осуществляется следующим образом.
Напряжение от источника знакопеременного напряжения 1 подается на электроды 2, расположенные внутри бассейна 3. Ток, протекающий в жидкости между электродами 2, взаимодействует с магнитным полем постоянного магнита 6, направление вектора магнитной индукции 5 которого перпендикулярно направлению тока 4, при этом возникает сила Ампера, которая в зависимости от направления тока 4 меняет свое направление 7 и создает в вертикальном направлении знакопеременный возмущающий поток, возбуждающий внутреннюю волну на границе раздела 8 двух слоев 9 и 10 жидкостей разной плотности. Изменяя частоту и амплитуду источника знакопеременного напряжения 1, можно возбуждать внутренние волны в широком диапазоне частот и амплитуд.
Таким образом, при использовании предлагаемого способа возбуждения внутренних волн в электропроводящих стратифицированных жидкостях за счет отсутствия конструкций внутри объема жидкости, где формируется внутренняя волна, и создания знакопеременного возмущающего пикноклин потока за счет силы Ампера (без нагрева жидкости) формируется внутренняя волна с малыми нелинейными искажениями при меньших энергозатратах, что обеспечивает достижение поставленной задачи и выгодно отличает его от прототипа.
Предлагаемый способ возбуждения внутренних волн в электропроводящих стратифицированных жидкостях заключается в формировании внутренней волны с малыми нелинейными искажениями, уменьшении энергии, затрачиваемой на создание возмущающего потока, и генерировании внутренних волн в широком диапазоне частот и амплитуд и может быть использован, например, для исследования взаимодействия внутренних волн с поверхностным волнением.
Источники информации
1 - «Волнопродуктор», Богатырев С.Д., Медведев Л.Н. и др., авторское свидетельство SU 1070438, кл. G01М 10/00, от 29.11.1982 г.
2 - «Теоретические основы электротехники». Учебное пособие. Г.В. Носов, Е.О. Кулешова, В.А. Колчанова; Национальный исследовательский Томский политехнический университет. – Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2011. - 216 с.
3 - «Курс общей физики». Том 2. Электричество и магнетизм, учебник. Савельев И.В. 2-е изд., перераб. - М.: Наука, Гл. ред. физ-мат. лит., 1982. - 496 с.