Содержание к диссертации
Введение
2. Литературный обзор 9
2.1. Основные виды кавитационных процессов 9
2.2. Уравнения динамики кавитационного пузырька 12
2.3. Теории физико-химического действия кавитации 18
2.3.1. Тепловые теории 19
2.3.2. Теория физико-химического действия кавитации вследствие удара кумулятивной струи о стенку пузырька 20
2.3.3. Ранние электрические теории 21
2.3.4. Теория локальной электризации кавитационных пузырьков (при их расщеплении) 24
2.4. Основные экспериментальные результаты и их
корреляция с тепловыми и электрическими теориями 28
2.5. Измерение излученной и поглощенной акустической
мощности в режиме кавитации 33
2.5.1. Различные способы измерения излученной и поглощенной акустической мощности 34
2.5.2. Сравнительный калориметрический метод измерения поглощенной акустической мощности 37
2.6. Основные механизмы физико-химических превращений
в водной среде под действием кавитации 39
2.7. Зависимость скорости химических и физико-химических процессов, вызываемых кавитацией, от интенсивности УЗ 42
Выводы из литературного обзора 44
Постановка задачи 46
3. Экспериментальная часть 47
3.1. Установка для измерения акустической мощности усовершенствованным сравнительным калориметрическим методом 47
3.2. Установка для определения зависимости акустической мощности от различных параметров системы «сосуд - волновод - жидкость» 48
3.3. Методика измерения концентрации ионов NCV в воде 49
4. О взаимном влиянии радиальных и поступательных пульсаций кавитационного пузырька 50
4.1. Вывод системы уравнений динамики кавитационного пузырька с учетом его поступательного движения. 52
4.2. Взаимодействие кавитационного пузырька с акустическим полем 62
4.2.1. Пузырек в пучности давления стоячей волны 62
4.2.2. Пузырек в поле плоской бегущей синусоидальной волны 62
4.2.3. Зависимость параметров кавитационного пузырька от амплитуды звукового давления в бегущей волне 68
4.2.4. Пузырек в поле плоской стоячей синусоидальной волны 76
4.3. Взаимодействие кавитационного пузырька с твердой стенкой или другим пузырьком во внешнем поле давления. 79
4.4. Движение пульсирующего пузырька в потоке жидкости, который имеет постоянную скорость 87
4.5. Общая система уравнений динамики кавитационного пузырька в кавитационном облаке 89
5. Теория локальной электризации кавитационных пузырьков при деформации их поверхности (без расщепления) 94
5.1. Электрические явления при деформации поверхности кавитационного пузырька в форме параболоида вращения 98
5.2. Электрические явления при деформации поверхности кавитационного пузырька в форме гиперболоида вращения 102
6. Усовершенствованный сравнительный калориметрический метод измерения поглощенной и излученной акустической мощности 112
6.1. Описание метода 112
6.2. Экспериментальные результаты, полученные с помощью усовершенствованного сравнительного калориметрического метода 117
6.2.1. Повторяемость измерений 117
6.2.2. Сравнение поглощенной и излученной акустической мощности. 118
6.2.3. Зависимость излученной и поглощенной акустической мощности от геометрических параметров системы «сосуд - жидкость - излучатель» при развитой кавитации 119
6.3. Зависимость скорости звукохимической реакции образования ионов нитрита от акустической мощности в режиме кавитации 122
Выводы 125
Литература 127
- Основные виды кавитационных процессов
- Установка для измерения акустической мощности усовершенствованным сравнительным калориметрическим методом
- Вывод системы уравнений динамики кавитационного пузырька с учетом его поступательного движения.
- Электрические явления при деформации поверхности кавитационного пузырька в форме параболоида вращения
- Описание метода
Введение к работе
Ультразвуковые (УЗ) волны находят широкое применение во многих областях науки и техники, в медицине, в химической технологии и т.д. [1-12] Технологическое использование УЗ волн в жидкости, как правило, основано на использовании кавитации. Механизм ряда физических процессов, происходящих в кавитационных полях, таких как эрозия и дегазация, в настоящее время достаточно хорошо исследован [1-5,7]. В то же время, вопрос о причине возникновения свечения из кавитационных пузырьков -сонолюминесценции (СЛ) и химического действия кавитации в настоящее время остается дискуссионным. Кроме того, неясна причина различия СЛ «обычного» пузырька в кавитационном облаке, и одиночного кавитационного пузырька, стабильно пульсирующего в пучности стоячей волны.
Измерение мощности, излученной источником звука кавитационном режиме, и мощности, поглощенной в объеме пузырьковой жидкости, является актуальной и важной задачей, которая не решена вплоть до последнего времени. Существующие методы измерения излученной и поглощенной акустической мощности, в лучшем случае, могут использоваться лишь для качественных оценок. Согласно [4,5], скорости кавитационных процессов необходимо относить к поглощенной акустической мощности, т.к. излученная, но не поглощенная мощность не является активной. Излучаемая мощность является основной энергетической характеристикой УЗ приборов [1-3,7,10]. Таким образом, количественные измерения как излученной, так и поглощенной акустической мощности совершенно необходимы при исследовании эффективности процессов эрозии, эмульгирования, очистки, звукохимических реакций, при калибровке УЗ оборудования, в научных исследованиях, при масштабировании кавитационных процессов и т.д. Из-за неопределенности акустической мощности при кавитации экспериментальные результаты, полученные разными авторами, несопоставимы.
Целью диссертационной работы является исследование влияния динамики кавитационных пузырьков на механизм сонолюминесценции и звукохимических реакций.
Задачи исследования:
Разработка усовершенствованной системы уравнений динамики кавитационного пузырька, которая бы удовлетворительно описывала динамику пузырька в кавитационном облаке и объясняла бы причину ее отличия от динамики одиночного неподвижного пузырька.
Разработка теории локальной электризации кавитационных пузырьков при деформации их поверхности (без расщепления).
Разработка метода измерения акустической мощности, излученной источником звука в режиме кавитации, а также усовершенствование метода измерения акустической мощности, поглощенной пузырьковой жидкостью.
Определение зависимости излученной и поглощенной акустической мощности от условий проведения экспериментов; определение зависимости скорости звукохимической реакции образования ионов нитрита в воде, от излученной и поглощенной акустической мощности.
Были получены следующие результаты, вынесенные на защиту:
1. Система уравнений радиального и поступательного движения кавитационного пузырька во внешнем поле сил, в частности, в поле звуковой волны, с учетом сжимаемости, вязкости и поверхностного натяжения жидкости, а также неравновесности процессов испарения и конденсации пара в пузырьке. Результаты, полученные на ее основе: новое описание усредненного поступательного движения пульсирующего пузырька через определение его перемещения, усредненного за период колебаний; новые уравнения в рамках линейной акустики для средней поступательной скорости пузырька в поле бегущей звуковой волны, и в поле другого пузырька; эффект скачкообразного поступательного движения нелинейно пульсирующего пузырька.
Теория локальной электризации кавитационных пузырьков при деформации их поверхности в поле звуковой волны, объясняющая возникновение СЛ и звукохимических реакций в кавитационном облаке.
Методика измерения акустической мощности, излученной источником звука в режиме кавитации, а также поглощенной пузырьковой жидкостью. Линейная зависимость скорости звукохимическои реакции образования ионов нитрита в воде от интенсивности УЗ в диапазоне от 1.7 до 47 Вт.см".
Структура и содержание диссертации
В I главе (введении) излагается актуальность работы, цель исследования, результаты, вынесенные на защиту и краткое содержание диссертации.
Во II главе (литературном обзоре) кратко описаны основные результаты по динамике кавитационного пузырька, основные теории физико-химического действия кавитации, основные экспериментальные результаты по физико-химическому действию кавитационных пузырьков, известные способы измерения акустической мощности, как излученной источником звука в режиме кавитации, так и поглощенной пузырьковой жидкостью.
В III главе (Экспериментальная часть) описываются экспериментальные методики и установки, использованные в экспериментах в главе VI.
В IV ГлЗЭе изложены результаты исследования взаимного влияния радиального и поступательного движений кавитационного пузырька.
В 4.1 выводится система уравнений радиального и поступательного движения кавитационного пузырька.
В 4,2 рассматривается взаимодействие кавитационного пузырька с акустическим полем. Показано, что поступательное движение нелинейно пульсирующего пузырька имеет скачкообразный характер. Показано, что для адекватного описания поступательного движения пульсирующего пузырька необходимо определять его среднее за период колебаний перемещение, а не среднюю силу (Бъеркнеса),
В 4.3 рассматривается взаимодействие кавитационного пузырька с твердой стенкой или другим пузырьком во внешнем поле давления. Показано, что рассчитанные смещения лазерного пузырька в сторону твердой стенки за время его сжатия, а также смещения при сжатии и последующем растяжении, соответствуют экспериментальным данным.
В 4.4 рассматривается движение пульсирующего пузырька в потоке жидкости, имеющем постоянную скорость.
В 4.5 на основании 4.1-4.4 выводится общая система уравнений динамики кавитационного пузырька в кавитационном облаке.
В V главе излагается теория локальной электризации кавитационных пузырьков при деформации их поверхности. Для двух видов конфигурации пузырька (с особенностями в форме выступа (5.1) и в форме шейки (5.2)), представляющих все многообразие деформаций, получены аналитические выражения для электрической напряженности в парогазовой смеси вблизи деформированной части его поверхности. Возникновение электрического разряда определяется физико-химическим составом жидкости, параметрами парогазовой смеси, размерами пузырька и деформированной части его поверхности. Определены условия, при которых в парогазовой фазе в пузырьке возникает электрический пробой. Теория объясняет, в частности, СЛ и звукохимические реакции при линейных колебаниях пузырька (при малой интенсивности звука, в сильновязких жидкостях и др.). VI глава посвящена измерениям акустической мощности при кавитации.
В 6.1 описывается новая методика измерения акустической мощности, излученной источником звука в режиме кавитации и поглощенной пузырьковой жидкостью, основанная на сравнительном калориметрическом методе.
В 6.3 изложены условия, при которых вся излученная мощность поглощается жидкостью с пузырьками, описан прибор, который впервые в мировой практике позволяет калибровать с высокой точностью (3%) источники звука по мощности в режиме кавитации. Сформулированы требования к размерам сосуда, и объему жидкости, при соблюдении которых излучаемая в режиме кавитации мощность от них не зависит.
В 6.3. представлены результаты экспериментов по определению зависимости скорости звукохимической реакции (образование ионов нитрита в воде) от интенсивности звука. Показано, что при соблюдении требований 6.2 зависимость линейна в диапазоне от 1,7 до 47,0 Вт/см2.
2. Литературный обзор
Основные виды кавитационных процессов
Явление кавитации, открытое более ста лет назад, в настоящее время привлекает многих исследователей своей многогранностью и кажущейся противоречивостью. Вначале под кавитацией подразумевали разрыв жидкости при создании в ней отрицательных давлений. Однако прочность жидкости к разрыву весьма велика: для образования полости радиуса г - 3.10"ї0 м теоретически необходимо создать отрицательное давление 2о7г 104 атм (109 Па). По теории Зельдовича [13] спонтанный разрыв однородной жидкости возможен при отрицательных давлениях не менее 103 атм. В то же время, кавитационная прочность жидкостей, не подвергнутых специальной обработке, составляет 0,02-10 атм [7], и лишь для специально приготовленных образцов воды достигнута кавитационная прочность -275 атм (2.75-107 Па) [7].
Столь низкую прочность жидкости связывают с наличием в ней различных микронеоднородностей (главным образом - микропузырьков, а также твердых микрочастиц, содержащих адсорбированные газы). Поэтому далее кавитационными мы будем называть те явления, которые вызваны не истинным разрывом жидкости, а пульсацией, ростом, расщеплением и другими типами движения уже присутствующих в жидкости пузырьков и их взаимодействием, при условиях, когда в жидкостях создается пониженное, а затем повышенное давление [4,5]. В отличие от движения обычных, равновесных пузырьков (они могут вводиться извне или образовываться при кипении, дегазации, протекании химической реакции и т.д.), для движения кавитационных пузырьков обязательно должна существовать фаза их расширения и последующего сжатия.
Существует несколько способов создания кавитационного поля: 1. Акустическая кавитация возникает при распространении в жидкости акустических волн. Этот тип кавитации наиболее широко используется в промышленности и в научных исследованиях. 2. Гидродинамическая кавитация [4,5,8,10] возникает в потоке жидкости при обтекании препятствия, при высокой скорости твердых тел в жидкости и т.д. Проявления гидродинамической кавитации, как правило, нежелательны (например, она является основной причиной разрушения гребных винтов, лопаток турбин, дорогостоящих гидросооружений). В то же время в химической промышленности она используется, когда кавитацию необходимо создавать в большом объеме жидкости ( несколько м), поскольку существующие ультразвуковые (УЗ) генераторы пока не обеспечивают возможности создания мощных кавитационных полей в таких объемах. 3. В научных исследованиях также рассматривают динамику кавитационного пузырька, созданного с помощью взрыва в жидкости. Взрыв осуществляется с помощью мощного сфокусированного лазерного импульса [14], при взрыве вольфрамовой нити или при детонации взрывчатого вещества (ВВ) [4,15,16]. 4. Образование кавитационного облака при отражении мощной ударной волны в жидкости от границы с газом [17]. 5. Кавитация в очень вязких жидкостях - расплавах металлов [18] и полимеров [4,5]. 6. В последние годы опубликовано значительное число работ, посвященных динамике и свечению одиночного кавитационного пузырька [4,6,12,19-27,29], стабильно пульсирующего в центре сферической или цилиндрической колбы. Эксперименты [12,21,25] показали значительное отличие одиночного пузырька от «обычных» кавитационных пузырьков в многопузырьковых полях: сферически симметричное сжатие [12], свечение происходит в момент наибольшего сжатия пузырька [12], малая длительность соновспышки (100 - 350 пс) и ее симметричная форма [25], отсутствие -линии Na в спектре однопузырьковой СЛ [12], интенсивность СЛ от одного одиночного пузырька на порядок больше, чем от облака «обычных» кавитационных пузырьков (!) [12], однопузырьковая СЛ имеет синий цвет, и ее, в отличие от многопузырьковой, можно наблюдать неадаптированным глазом [12] и т.д. Анализ спектров свечения однопузырьковой СЛ показал, что они удовлетворительно описываются спектром свечения черного тела с температурой 20000 - 50000 К [12,19,20] и даже более 100000 К [26,27]. Вопрос о природе однопузырьковой СЛ в настоящее время является дискуссионным, т.к. по обычным уравнениям динамики пузырька при рассматриваемых условиях невозможно получить температуры более 2000 - 4000 К [6,29]. В работах [12,26,27] авторы предположили, что при сферическом сжатии пузырька в газовой фазе образуется сходящаяся ударная волна [28], в которой и возникают высокие температуры. Однако более поздние расчеты по общим уравнениям гидродинамики показали, что ударная волна не должна образовываться [19]. В работе [24] мы предположили, что столь высокая температура может быть обусловлена дополнительным поглощением пузырьком энергии падающей на него акустической волны в момент достижения им резонансного размера. Если окажется возможным значительно усилить сжатие пузырька до достижения в нем высоких температур, вплоть до термоядерных, тогда, по-видимому, удастся создать акустическую камеру для осуществления управляемого термоядерного синтеза [4,6,21,26,27,30,31].
Кавитационную природу имеют также многие эффекты, далекие на первый взгляд от первоначального понятия кавитации: электрический пробой в жидкости [4,32], образование и движение пузырьков в смазывающей жидкости между трущимися поверхностями, детонация ряда взрывчатых веществ при ударе, возникновение пузырьков при прохождении частиц высоких энергий через жидкость [33] и др.
Установка для измерения акустической мощности усовершенствованным сравнительным калориметрическим методом
При проведении измерений поглощенной и излученной акустической мощности мы использовали установку, принципиальная схема которой приведена на рис. 4.
Измерения проводились согласно усовершенствованному калориметрическому методу (см. п, 6). Установка состоит из калориметрической ванны и блока управления, который, в свою очередь, состоит из блока электрического питания, компьютерной платы для сбора данных и компьютера. Блок управления регулирует процесс измерения поглощенной акустической мощности согласно алгоритму, изложенному в п.6, осуществляет электрическое питание всей установки, с помощью компьютера осуществляется диалог с пользователем и вывод результатов на экран. Как показано на рис. 4, от калориметрической ванны на блок управления поступает информация о температуре жидкости Г, токе / и напряжении U на спирали 5 нагревателя; блок управления задает электрическую мощность Wycm на нагревателе в соответствии с алгоритмом, изложенным в п. 6.
Вывод системы уравнений динамики кавитационного пузырька с учетом его поступательного движения
Выведем систему уравнений, описывающую в общем виде одновременно радиальное и поступательное движение пузырька. Пусть пузырек находится в заданном одномерном звуковом поле давленияp x(x t), где х - пространственная координата, и характерный пространственный масштаб изменения параметров этого поля (например, длина волны) значительно больше радиуса пузырька г. Для такого поля справедливо уравнение Навье - Стокса:
+—M=--% » dt 2 дх{ ] рж дх где Uoo - скорость частиц жидкости во внешнем поле, рж - плотность жидкости. Пузырек при движении относительно жидкости создает в ней волну рассеяния. Считая созданное пузырьком поле рассеяния безвихревым, а жидкость несжимаемой, можно ввести потенциал р этого поля, для которого справедливо уравнение Лапласа: Ар = 0. (4.2) Решение уравнения будем искать в виде суммы потенциалов (р = {(р} +q 2), где р} - отвечает за рассеяние вследствие радиального, а р2 - вследствие поступательного движения пузырька. Потенциалы р/ и д 2, можно определить из граничных условий: Ф -аІр, (p2 -A Cos9l р1. (4.3) Здесь а и А - константы, р - радиальная координата, т.е. расстояние от заданной точки жидкости до центра пузырька, cos 9 = cos(x,n). Скорость потока рассеяния v = vj + v2 (здесь V; = V(p] и v2 = V p2) равна: ( а 2-А-ыъб\ (А-$тв\ VP P ) \ P ) где пит- векторы нормального и тангенциального направлений к поверхности пузырька. В уравнение (4.4) для определения потенциала поля рассеяния подставим граничные условия: тангенциальная составляющая скорости рассеянной волны на поверхности пузырька непрерывна, а ее нормальная составляющая на поверхности пузырька равна vn(r)=f + u-cosO, (4.5) где г - радиальная скорость пузырька, и - поступательная скорость пузырька относительно жидкости. Заметим, что в работах, в которых рассматривалось радиальное движение пузырька, обычно задавалось граничное условие v„ = г, а при изучении поступательного движения пузырька - соответственно v„ = u-cosd. Из граничного условия (4.5) получим выражения для констант аяА:а = -ґ2 г, Л = uR3/2f т.е. потенциал поля рассеяния и скорость жидкости на поверхности пузырька равны: р(г) = -г ? -и-со&б -г/2, V{r) = (? + И COS #) Я + (і/ 5Іп(#)/ 2) f. Подставим эти выражения в интеграл Лагранжа - Коши [8] dt 2 Рж \ где рвн - давление на поверхность изнутри пузырька Реп =(рг+Р„)-2 т/г + 4{1Г/г + {1и-созв/г, (4.7) складывается из давления газа и пара (рг + р , которые определяются из формул (2.3) и (2.7) для фаз растяжения и сжатия пузырька, а также давления сил поверхностного натяжения и вязкости. Последний член в (4.7) соответствует вязким силам при поступательном движении пузырька. В отличие от обычной формулы для давления вязких сил на поверхности движущегося поступательно твердого шара, в рассматриваемом случае это давление в 3/2 раза меньше, т.к. изменились граничные условия [98].
