Введение к работе
Актуальность темы диссертации
В нелинейной акустике имеется несколько фундаментальных проблем, интерес к которым не угасает на протяжении многих десятилетий, и которые обычно дают названия главам в соответствующих монографиях. Одна из таких проблем, а именно, явление, известное под названием "акустические радиационные силы", составляет предмет настоящей диссертации.
Акустическими радиационными силами (АРС) называют нелинейные гидродинамические еппы, которые действуют в текучей среде на инородные включения при распространении акустической волны. Эти силы являются причиной "медленного" (усредненного по времени) движения дисперсных частиц в звуковом поле. АРС принято деппть на два тппа. Силы первого типа, которые обычно называют первичными АРС, действуют на дисперсную частицу со стороны падающего поля при отсутствии (или значительной удаленности) других частиц. Силы второго типа, называемые соответственно вторичными АРС, действуют на частицу со стороны соседних частиц и обязаны своим происхождением полю, перерассеянному этими частицами. Оба тппа АРС играют определяющую роль во многих акустических явлениях и практических приложениях.
Наиболее известным примером, иллюстрирующим действие первичных АРС, является акустическая левитация, т. е. устойчивая фиксация некого тела в заданной точке пространства посредством АРС, выпиваемых стоячей звуковой волной. Подобное "подвешивание" очень удобно при исследовании и обработке многих физических объектов — капель жидкостей и расплавов, твердых частиц, газовых пузырьков и т. д. В западной литературе эта технология получила название "безконтейнерной обработки материалов". В США исследования в области акустической левитации на протяжении многих лет финансируются NASA, и приборы, созданные на этом принципе (акустические левитаторы), входят в состав научной аппаратуры американских космических кораблей. Техника акустической левитации успешно применяется при изучении динамики деформации и дробления капель; при исследовании процессов, происходящих при пульсациях газовых пузырьков; для определения физических параметров жидкостей, расплавов и газов; при постановке экспериментов по с оно люминесценции и т. д. Теория первичных АРС дает одни из основных методов измерения интенсивности звука в текучих средах. Наконец, совсем недавно японские учепые разработали и успешно опробовали методику, использующую пер-
личные АРС для формирования сложных биологических структур типа нуклеиновых кислот и протеинов.
Примерами акустических явлений, в которых основную или весьма важную роль играют вторичные АРС, могут служить ультразвуковая дегазация жидкостей и расплавов, акустическая кавитация, самопросветление звуковых волн в пузырьковых средах, акустическая коагуляция газовзвесей, аэрозолен и суспензий, ультразвуковая интенсификация процесса кристаллизации в растворах и расплавах, акустическая флотация п т. д.
Приведенные выше примеры достаточно убедительно, как надеется автор, доказывают научную н практическую значимость физического явления, составляющего предмет настоящей диссертации, а тем самым и необходимость проведения исследований в данной области. Изучение этого явления имеет многолетнюю историю, в результате чего степень разработанности теории АРС достигла достаточно высокого уровня. Однако этой теорин, как и любой другой, присущи две типичные проблемы. Во-первых, в рамках данной теории имеется ряд весьма важных, но все еще нерешенных задач (это в особенности касается вторичных АРС). Вторая, и главная, проблема связана с наличием самих этих рамок. Существующая теория АРС основывается на определенных предположениях, которые, естественно, ограничивают область ее применимости и сдерживают ее общее, стратегическое, развитие. На современном этапе главным таким ограничением является предположение об идеальности текучей среды. Естественно, ни научное знание, ни практика не могут мириться с подобным положением дел п требуют дальнейшего развития теории АРС, что и определяет актуальность темы настоящей диссертации.
Связь работы с научными программами
Диссертация выполнялась в рамках утвержденных Министерством образования и науки РВ тем: "Исследование нелинейной волновой динамики малых частиц во внешних полях", "Нелинейная волновая динамика текучих сред", "Создание акустичёсжого лазера ", "Эффекты пондеромотор-ных взаимодействий дисперсных частиц в текучих средах".
Цель и оадачи исследования
Цель диссертационной работы состоит в развитии теории акустических радиационных сил и приложении этой теории к решению ряда важных конкретных задач. Для достижения поставленной цели требуется решить следующие задачи:
-
Полупіть общее аналитическое выражение для первичных АРС, действующих на сферическую частицу произвольной внутренней структуры п размера в вязкой теплопроводной текучей среде, через которую распространяется произвольная осеспмметричная акустическая волпа.
-
Используя вышеуказанное общее выражение, исследовать динамику конкретных типов дисперсных частиц (твердой частицы, капли, газового пузырька) в различных звуковых полях (плоской бегущей волне, плоской стоячей волне, расходящейся сферической волне) н выявить эффекты, вызываемые диссипацией.
-
Разработать метод для вычисления силы радиационного взаимодействия газового пузырька и произвольной сферической частицы, учитывающий многократное перерассеяпие звука и искажение формы указанных частиц и позволяющий вычислять силу их взаимодействия при любых расстояниях между данными частицами.
-
Используя вышеуказанный метод, исследовать радиационное взаимодействие двух газовых пузырьков при малых разделяющих расстояниях С ЦеЛЬЮ ВЫЯСИеНИЯ ЛрИЧіга, ПРИВОДЯЩИХ К ВОЗНИКНОВеНПЮ В ЗВ}'-
ковом поле устойчивых пузырьковых образований — "пузырьковых гроздей".
-
Провести аналогичные исследования для других типов частиц — пузырька и твердой частицы, пузырька и капли.
-
Разработать метод для вычисления силы радиационного взаимодействия двух твердых частиц, учитывающий многократное перерассеяние звука между данными частицами и позволяющий вычислять силу их взаимодействия при любых разделяющих расстояниях.
-
Получить аналитическое выражение дня силы радиационного взаимодействия двух удаленных газовых пузырьков, учитывающее акустические течения, развивающиеся возле этих пузырьков, и исследовать влияние акустических течений на процесс взаимодействия пузырьков.
Научная новизна
В настоящей диссертации впервые последовательно и строго исспедо-заны первпчпые АРС, действующие в реальных (т. е. вязких и теплопро-
водных) текучих средах. Впервые получено аналитическое выражение, позволяющее вычислять радиационную силу, которая действует на сферическую дисперсную частицу произвольной внутренней структуры п размера в реальной среде в поле произвольной осесимметричной звуковой волны. Это выражение содержит, как предельный случай, имеющий место при слабой диссипации, все прежние результаты, полученные для идеальной среды. Оно применимо к дисперсным частицам любого типа и к наиболее важным акустическим полям, используемым на практике. При выводе данного выражения не накладывались ограничения на размер частицы, длину звуковой волны и глубину проникновения вязкой п тепловой волн, вследствие чего это выражение дает возможность вычислять АРС в широком диапазоне значений перечисленных выше параметров и исследовать случаи, которые были недоступны для ранее существовавшей теории.
С помощью указанного общего выражения впервые было исследовано поведение первичных АРС при сильной диссипации. Вычисления, выполненные для твердых частиц, капель и газовых пузырьков в поле плоской бегущей волны, плоской стоячей волны и расходящейся сферической волны, показали, что сильная диссипация кардинальным образом изменяет силовое взаимодействие дисперсных частиц с акустическим полем. Полученные результаты позволили объяснить аномальное (с точки зрения прежней, "идеальной", теории) поведение металлических частиц в сильновязких жидкостях, наблюдавшееся в экспериментах.
Впервые было установлено, что дпесипативные оффекты могут вызывать акустическую левитацию в расходящихся сферических волнах.
Впервые были получены точные решения для уравнении акустических течений, возникающих около сферической частицы произвольной внутренней структуры и размера в произвольной осесимметричной звуковой волне.
В диссертации впервые решен ряд актуальных задач теории вторичных акустических радиационных сил.
Разработан метод, который позволяет вычислять силу радиационного взаимодействия газового пузырька и произвольной частицы при разделяющих расстояниях, сравнимых с размерами отих частиц. С помощью данного метода впервые исследовано взаимодействие двух пузырьков неодинакового размера при малых разделяющих расстояниях. Полученные результаты, в частности, позволили объяснить механизм образования устойчивых пузырьковых гроздей, наблюдавшихся в экспериментах.
Впервые исследовано радиационное взаимодействие газового пузырька с твердой частицей п газового пузырька с каплей прн малых разделяющих
расстояниях. Это исследование, в частности, показало, что указанные частицы тоже могут образовывать в звуковом попе устойчивые связанные структуры.
Разработан метод, позволяющий вычислять сплу радиационного взаимодействия двух твердых сферических частиц при малых разделяющих расстояниях, с помощью которого впервые исследованы особенности взаимодействия отих частпц в данной ситуации.
Впервые получено аналитическое выражение для силы радиационного взаимодействия двух удаленных газовых пузырьков, учитывающее акустические течения, образующиеся около этих пузырьков.
Практическая значимость
Практическая значимость полученных в диссертации результатов вытекает по актуальности темы исследований, обосноваппой выше. Постоянно расширяющаяся сфера научных и практических приложений теории АРС обуславливает объективную потребность в развитии последней. Модель идеальной текучей среды, на которой до сих пор основывалась эта теория, является существенной идеализацией. Хотя при решении многих задач она вполне приемлема, даже в этих случаях ее использование поепт вынужденный характер п заведомо снижает точность расчетов. Переход к модели вязкой теплопроводной среды, выполненный в настоящей диссертации, позволил не просто уточнить ранее известные результаты, но обнаружить качественно новые эффекты, которые невозможно было выявить в рамках прежней модели.
Диссертация значительно расширяет представления о нелинейной динамике дисперсных частиц в акустических полах и впервые придает теории АРС целостный и в значительной степени законченный вид. Как уже упоминалось, полученные в диссертации результаты позволяют объяснить ряд экспериментальных наблюдений и дают обширный материал для постановки новых опытов. Эти результаты уже заинтересовали некоторых зарубежных экспериментаторов, выразивших желание поставить соответствующие опыты.
Важным аспектом является и то, что полученные в диссертации результаты носят главным образом аналитический характер. В настоящее время широко используются численные методы решения гидродинамических задач, вследствие чего новые аналитические результаты представляют большой иптерес как проверочный материал, позволяющий контролировать достоверность численных схем.
Наконец, практическая значимость диссертации обусловлена широким использованием теории акустических радиационных сил в различных физических методиках, биомедицинских исследованиях и технологических процессах. Полученные результаты позволяют совершенствовать этп методики и технологии и расширять сферу пх применения. Они также обеспечивают теоретическую базу и соодают предпосылки для появления новых научных и практических приложений изучаемых в диссертации явлений.
Основные положения, выносимые на защиту
На защиту выносятся:
-
Аналитическое выражение дня акустической радиационной силы, действующей на сферическую дисперсную частицу произвольной внутренней структуры и разиера, находящуюся в вязкой теплопроводной текучей среде (жпдкостн ппп газе), через которую распространяется произвольная осесимметрпчная акустическая волна.
-
Результаты теоретического исследования нелинейной динамики твердых частиц, капель п газовых пузырьков в поле плоской бегущей волны, плоской стоячей волны и расходящейся сферической волны, полученные на основе упомянутого выше общего выражения, которые показывают, что диссипация может кардинально видоизменять процесс взаимодействия дисперсных частиц с акустическим полем, и позволяют объяснить наблюдавшееся экспериментально аномальное поведение металлических частиц в сильновязких жидкостях.
-
Точные решения уравнений акустических течений, возникающих около сферической частицы произвольной внутренней структуры и размера в поле произвольной осесимметрпчнон акустической волны.
-
Метод, позволяющий вычислять сипу радиационного взаимодействия между газовым пузырьком и произвольной сферической частицей при любом соотношении между размерами этих частиц и разделяющим их расстоянием.
-
Результаты теоретического исследования радиационного взаимодействия двух газовых пузырьков при малых разделяющих расстояниях, показывающие, что многократное перерассеяпие звука и искажения
формы (поверхностные моды) пузырьков принципиально меняют закон их взаимодействия, в результате него становится попятным механизм образования наблюдавшихся экспериментально устойчивых пузырьковых гроздей.
-
Результаты теоретического исследования радиационного взаимодействия пузырька и твердой частицы и пузырька и капли при малых разделяющих расстояниях, которые показывают, что данные частицы тоже могут образовывать устойчивые связанные структуры.
-
Метод, позволяющий вычислять силу радиационного взаимодействия двух твердых сферических частиц при произвольном соотношении между размерами отпх частиц ц разделяющим их расстоянием, и полученные с помощью этого метода результаты, показывающие, что при малых разделяющих расстояниях существенное влпяние на силу взаимодействия частиц оказывает многократное перерассеянпе звука, которое значительно снижает величину этой силы в области отталкивания, повышает ее величину в области притяжения, а также существенно уменьшает угол между волновым вектором и линией центров частиц, прп котором отталкивание сменяется притяжением.
-
Аналитическое выражение для силы радиационного взаимодействия двух удаленных газовых пузырьков, учитывающее акустические течения, возникающие около этих пузырьков, и показывающее, что при определенных условиях отп течеши становятся доминирующим процессом, дающим основной вклад в сшгы, действующие на пузырьки, в результате чего эти силы начинают отличаться как по величине, так и по знаку от сил, действующих между пузырьками прп обычных (слабодисенпативных) условиях.
Личный вклад соискателя
Семнадцать из 29 статей, опублпковаштых по теме диссертации, написаны диссертантом единолично. Остальные 12 опубликованы в соавторстве с научным консультантом доктором фпз.-мат. наук СТ. Завтраком. В 6 из них [1]-[б] вклад соавторов в постановку проблем является равным прп доминирующем вкладе диссертанта в решение конкретных задач. В остальных 6 [7]-[12] диссертанту принадлежит основной вклад в постановку задач и их решенпе.
Апробация результатов диссертации
Результаты исследований, пошедшие в настоящую диссертацию, докладывались па теоретических семинарах в НИИ ядерных проблем при Бел-госуниверситете, на кафедре теоретической физики Белгосуниверситета, на конференциях "Акустика неоднородных сред" (Новосибирск, Институт гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО РАН, 1990 г., 1996 г.), на I съезде Европейской Акустической Ассоциации "Forum Acusticum" (Бельгия, Антверпен, 1996 г.), на конференции "Ultrasonics International'97" (Нидерланды, Делфт, 1997 г.), на III Европейской конференции по механике текучих сред "EUROMECH" (Германия, Геттинген, 1997 г.).
Опубликованность результатов
Результаты диссертации изложены в 29 статьях, 25 из которых опубликованы в ведущих российских и западных научных журналах, 3 — в сборниках научных трудов, и 1 — в трудах конференции.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав и пяти приложений. Объем диссертации составляет 188 страниц, из которых 18 страниц занимают 20 иллюстрации, и 21 страницу занимают 5 приложений. Список использованных источников включает 318 наименований.
