Введение к работе
1.1. Актуальність исследований акустігческой кавитации.
Кавитация - распространенное явленно, которое приводит к саж
ным практическим последствиям как положительного, так и отрицатель
ного характера. Она определяет прогрессивную технологию ряда отрас
лей производства, позволяя существенно интенсифицировать многие
физико-химические процесси (очистку, диспергирование, эмульгиро
вание, кристаллизацию и др.). Шесте с тем кавитация визывает раз
рушение машин и механизмов, сникает эффективность гидравлических
и гидроакустических устройств. г
Как положительный, так п отрицательный эффекты кавитации с
экономической стороны весьма ощутимы. Поэтому ряд иселедоваїшй
был посвящен изучению ее разрушительных эффектов и условий возник-
новения. Многочисленные публикации'в этой области обобщеїш в ІУ,
У и УІ частях монографии "Мощные ультразвуковые поля" (М., Наука,
1968), написанных соответственно В.А.Акуличевым, М.Г.Сиротюком и
' Л.Д.Розенбергом, в книге В.А.Акуличёва "Кавитация в криогенных и
кипящих жидкостях" (Н., Наука, 1978), в монографиях ЮД.Левковско-
го "Структура кавитационных течений" (Л., Судостроение, 1978),
В.А.Акуличёва, В.Н.Алексеева, В.А.Буланова "Периодические фазовые
'превращения в жидкостях" (!.!., Наука, 1986), а такта в ряде зарубеж
ных монографий. <
Из этих работ следует, что задачи управления кавитационным процессом- составляют важную научную и народнохозяйственную проблем* Решение этих задач сталкивается не только с отсутствием общей теории кавитационных явлений, но и с недостатком достоверных представлений о механизмах зарождения кавитации. Последнее обусловлено неясностями в вопросах физической природы.чавигационных зародышей, которые связаны с укоренившимися представлениями о преке-брежимс{малом свободном воздухосодержаний (концентрации воздуха, содержащегося в газовых пузырьках) отстоявшейся жидкости, и, в частности, воды. Такой подход ..сключает из возможных механизмов зарождения и развития кавитации коллективные явления и-но позволяет построить адекв тные модели процесса.
Проблема свободного во здухос одержання жидкости является фундаментальной, поскольку определяет не только вопросы, связанные с зародышами кавитации, но и многие задачи физики жидкого состояния: теории фазовых переходов яидкость-газ, процессов топло-».".асоо-обмена и теории двухфазных течений на стадии инициирования позой
фазы.
Трудности в решении указанной пройдеш в значительной мере связаны с недостаточным развитием методов-физического исследования кавитационных зародышей, свободного воздухосодер5шния нид- кости, начальных стадий развития кавитации и характеристик ка-вигационной активности.
По указанным причинам углубленноеизучение проблем свобод
ного воздухосодеркония иидкости и зародышей кавитации, разра
ботки моделей заровдения и развития последней сформировались в .
вакное научное направление, а диссертационная работа,-развиваю- .
щая это направление и подтверждающая его практическую, целесооб
разность, является актуальной.
1.2. Формулировка пройдем, -решенных в диссертации. Проблематика работы определяется развиваемым в ней новым научным направлением, в рамках, которого на базе обоснованного 'теоретически и экспериментально нового результата - существен-'1ю оолее высокого по сравнзнию с принятыми ранее оценками свободного воздухосодержаккя воды осуществляется развитие физики '. гетерогенных газовых зародышей в жидкости и разработка адекватных моделей наступления акустической кавитации с учетом коллек- _ тивных явлений.
> Этому направлению подчинено решение ряда, частных проблем и задач:
а 1.2.I. Создание новых и развитие известных методов исследования концентрации свободного газа и кавитационных зародышей в жидкости, обоснование положения о существенно повышенном по сравнению с принятыми оценками свободном воздухосодержании воды,-
1.2.2. Разработка механизмов стабилизации газовых кавита-
ционных явлений, создание на их базе моделей, позволяющее удовлетворительно прогнозировать зависимости кавитационного порога от определяющих факторов.
1.2.3. Разработка, совершенствование ж обоснование методов
исследования начальных стадий развития кавитации и кавитацион-
ной активности, позволяющих получить высоко воспроизводимые'дан
ные измерений.
1.2.4. Исследование характеристик кавитации в зависимости
. от ряда факторов для выработки рекомендаций по управлении этим
процессом.
1.3. Обоснование структуры диссертационной работы.
Диссертация начинается оглавлением, детализация которого но разделам (главам) и подразделам (параграфам) позволяет составить общее преде гаадение о вопросах, подвергнутых изучению.
Структура работы обусловлена индуктивным методом исследова
ния, положенным в ее основу: в результате разработки и совершен
ствования методов исследования газосодеркания жидкости и харак
теристик кавитационного процесса получены данные, обработка ч
анализ которых позволили построить адекватные модели механизмов,
определяющих начальные стадии развития кавитации, и получить ре
комендации практического характера. г
Диссертация открывается введением (раздел I), за которым следует анализ и обсуждение известных работ по вопросам гетерогенных зародышей в жидкости, мехаїгазмам наступления акустической кавитации и методам исследования-ее'характеристик (раздел 2).
В разделе 3 с помощью новых газоаналитических методов исследования свободного газа установлено, что его концентрация на несколько порядков величины превосходит принятые оценки. Эксперн- . ментами обоснована концепция диффузионного адсорбционного слоя, лимитирующего массообмен между жидкой и газовой фазами. На базе этой, концепции в разделе 4 построена подтверждаемая данными эксперимента коагуляционно-діг$фузионная модель ансамбля стабильных газовых зародышей, объясняющая повышенное воздухосодергхание воды.
Раздел 5 посвящен исследовании свободного воздуха в предварительно дегазированной дистиллированной воде с помощью оптического светорассеяния, поскольку решить эту задачу другими методами не удается.
В разделе 6 приведены результаты по разработке л исследованию экспрессного метода определение локальной, эрозионной активности кавитации с помощью амплитудной спектрометрии навигационных, импульсов давления. Проведенные на основе этого метода исследования механизма кавитационного разрушения позволили в разделе 7 реализовать методики измерения навигационного порога по эрозионному признаку. Рассмотрена информативность таких измерений, получены дополнительные подтверждения коагуляїщошю-диффузиоішой модели ансамбле зародышей, предложенной в разделе 3.
В завершающем работу раздело 8 на основе предыдущих результатов построена модель наступления кавитации, позволяющая прогнозировать величину кавит.ащщнного порога с учетом коллективных явлений. Показано удовлетворительное согласие теоретических и
экспериментальных данных.
Изложение завершается обобщающим заключением с перечнем публикаций, за которым следуют список литературы и приложения.
1.4. Цель работы. Развить^научное направление, состоящее в
изучении кавитационных процессов. Создать новое направление ис
следований с учетом существенной коррекции данных по свободному .
воздухосодержанига жидкости, для чего: .
-
Создать ноше и усовершенствовать известные методы исследования концентрации свободного воздуха и характеристик кавитационных явлений.
-
Выполнить исследования характеристик кавитации в зависимости от определяющих факторов.
-
На основе анализа полученных данных создать адекватнее модели ансамбля кавитациенных зародышей и механизмов наступления кавитации, а также элементы теории кавитационного порога отчетом коллективных явлений.
-
Получить рекомендации по управлению кавитационным про.-це'осом, доказать практическую полезность полученных результатов.
1.5. Научная новизна работы определяется экспериментальным '
и теоретическим обоснованием нового результата,- который состоит
в том, что содержание свободного воздуха в воде на несколько по
рядков величины превосходит принятые оценки. В соответствии с «
этим в отстоявшейся воде присутствует стабильный ансамбль газовых
кавитйционных зародышей с характерным радиусом ~Ю~'м и экзем-
плярпэй концентрацией ~10 м .
Согласно впервые развиваемым в работе концепциям, причины образования и стабильности такого ансамбля состоят, с одной стороны, в броуновской коагуляции газовых включений, с другой,- в наличии диффузионного адсорбционного слоя, замедляющего растворение пузырьков. Характеристики ансамбля существенно определяются предпето-рией жидкости (эффект памяти по свободному воздуху).
На основе этих результатов впервые предложена совокупность моделей наступления кавитации с учетом коллективных 'явлений, позволяющая прогнозировать величину кавитационного порога- в зависимости от определяющих факторов, в том числе, времени наступления кавитации. Решена задача миграции пузырька в поле с градиентом амплитуда акустического давления, не ограниченная условием малости
этой величины, а также рассмотрена статистическая модель коагуляции ансамбля зародышей в акустическом поле под действием вторичных сил Бьеркнеса.
Новизна работы определяется также обоснованием и реализм цией физического критерия наступления кавитации по эрозионному признаку при исследовании пороговых явлений. Эти результаты по>-лучены на основе впервые предложенного метода амплитудной спектрометрии кавитационных импульсов давлення, который, в частности, позволяет экспрессно прогнозировать локальную эрозионную активность кавитации. С помощью указанного метода получены новые результаты, относящиеся к механизму кавитационного разрушения и г способам управлєішя процессом кавитации.
Новизна определяется также комплексом экспериментальных методов исследования физики кавитации и определяющих ее факторов. К ним относятся совокупность газоаналитических и оптического методов исследования свободного воздухосодеркаїгая жидкости, методы измерения кавитационного порога; комплекс методик-, обеспечивающий значительное повышение воспроизводимости результатов при ис-' следовании кавитационных явлений.
Степень новизны полученных в диссертации результатов определяется также публикацией по ее материалам 66 печатных работ.
1.6. Практическая ценность работы определяется: >
-
Необходимостью учитывать в качестве определяющего фактор повышенного свободного воздухосодержання в теории и практике фазовых переходов пидкоегь-газ, теориях тепло-массообмена, двухфазных течений и кавитационных явлений.
-
Разработкой теоретических моделей наступления кавитации с учетом коллективных явленні*, эксперимучгально-расчетных методов определешія свободного воздухосодп.рнания жидкости и кавитационных порогов, которые могут быть использованы при изучении кавитационной обстановки и прогнозировании кавитационных явлений в ультразвуковой технологии, гидроакустике и гидродинамике двухфазных течений.
-
Возмокяостью использования результатов по кинетике изменения газосодержания жидкости в различных условиях (в том числе при вакуумной дегазации) для управления газосодержанпем жидкости и кавитационной обстановкой в гидравлике, ультразвуке-" вой технологии, гидроакустике, при осуществлении процессов тепло-
ма^сообмєна.
-
Возможным применением модифицированного метода газоконтроля вода в океанологии, химической технологии и лаборагор ной практике. '
-
Перспективностью использования метода амплитудной спектрометрии кавитационнах импульсов'при изучении кавитацион-ной стойкости материалов и контроле локальной ьрозионн^й активности кавитации в ультразвуковой технологии и гидравлических системах.
-
Рекомендациями по управлению навигационным процессом путем изменения ряда факторов (введение примесей, дегазация, магнитная обработка и др.-), которые могут быть использованы при . интенсификации некоторых технологических процессов.
1.6.7. Внедрением результатов работы, связанных с контролем
"и управлением кавитационноп обстановкой, управлением'газосодер-
канием жидкости и амплитудной спектрометрией кавитациошщх ямпуль-сов в НПО "Энергия" (г. Калининград, Моск. обл.), и результатов .исследования концентрации свободного воздуха, 'кавитационных порогов и механизмов наступления кавитации в С2НИИ "Атолл" (г. Сухумі) .
1.7. Апробация работы. Различные этапы работы докладывались на следувдих конференциях и совещаниях:
-
Отчетные научно-технические конференции Одесского политехнического института, Одесса, 1963 - 1987.
-
Союзная научно-техническая конференция "Применение ультразвука в промышленности",' Одесса, 1964.
-
УІ Всесоюзная Акустическая конференция, Москва, 1968.
-
I Всесоюзный симпозиум по'кавитации, Сухуми,'1968.
-
П Всесоюзный симпозиум по кавитации, Одесса, 1971.
-
П Всесоюзная научно-техническая конференция по ультразвуковым методам интенсификации технологических процессов, Москва, 1973.
-
УШ Всесоюзная Акустическая конференция, Москва, 1973.
-
Всесоюзное научно-техническое совещание "Новое в ультразвуковой технике и технологии", Москва-Воронеж, 1974.
-
Ш Всесоюзная научно-техническая конференция по ультразвуковым методам интенсификации технологических процессов, Москва, 1975.
10. Всесоюзный симпозиум по физике акусгико-гидродинамичес-ких явлений, І/Іосква-Сухуми, 1975.
' II. УІ Мехдународный симпозиум по нелинейной акустике,
Москва, 1975. '
12. Всесоюзішй научно-техгаїчєский симпозиум "Ультразвуковые колебательные системы технологического назначения", Москва-Оцзс-са, 1976..
ІЗ".. Всесоюзний научно-технический семинар "Опыт промышленного применения ультразвуковой техники и технологии", Москва-Новосибирск, 1976.
а4. IX Всесоюзная Акустическая конференция, Москва, 1977.-
-
Всесоюзный научно-технический семинар "Создашіе и применение аппаратуры для ультразвуковых технологических процессов в машиностроении", Москва-Вологда, 1978.
-
Сессия Научного Совета АН СССР по проблеме. "Ультразвук", Москва, 1978.
-
ІУ Усесоюзная научно-техническая конференция по ультразвуковым методам интенсификации технологиче ких процессов, Москва, 1979. . .
-
Семинар по проблемам акустики под рук. проф. И.Г.Михайлова, ЛГУ, Ленинград, 1979.
-
П Всесоюзный симпозиум по физике акустико-гидродипами- -ческих явлений и оптоакустике, Суздаль, 1979.
-
Всесоюзный научный симпозиум "Акустическая кавитация
и применение ультразвука в химической технологии", Славскоэ, '
1985. . _ V
21.ШВсесоюзный научный симпозиум по физике аку'стпко-гидро- " динамических явленій и оптоакустике, Ташкент, 1982.
-
ХІУ Всесоюзная конференция "Актуальные вопросы физики аэродисперсных систем", Одесса, 1986.
-
XI Международный симпозиум по нелинейной акустике, Новосибирск, 1987.
-
Научно-технический совет отдела, НПО "Энергия"t' 1989".
1.8. Публикации по материалам диссертации включают 66 печат
ных работ. -
I.9.' Объем работы. Диссертационная работа содержит 189 страниц машинописного текста, 5 таблиц, 53 рисунка, список'лиге-
ратуры (255 наименований), 3 таблицы-приложений.
