ОГЛАВЛЕНИЕ
стр.
1. Введение 4
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
1
3. Экспериментальная часть
3.1. Установка для измерения акустической мощности
усовершенствованным сравнительным калориметрическим методом
3.2. Установка для определения зависимости
акустической мощности от различных параметров системы «сосуд - волновод - жидкость»
3.3. Методика измерения концентрации ионов ЫОг’ в воде
4. О взаимном влиянии радиальных и поступательных
пульсаций кавитационного пузырька
4.1. Вывод системы уравнений динамики кавитационного
пузырька с учетом его поступательного движения.
4.2. Взаимодействие кавитационного пузырька с акустическим полем
4.2.1. Пузырек в пучности давления стоячей волны
4.2.2. Пузырек в поле плоской бегущей синусоидальной волны
4.2.3. Зависимость параметров кавитационного пузырька от амплитуды звукового давления в бегущей волне
4.2.4. Пузырек в поле плоской стоячей синусоидальной волны
4.3. Взаимодействие кавитационного пузырька с твердой
стенкой или другим пузырьком во внешнем поле давления.
4.4. Движение пульсирующего пузырька в потоке жидкости,
который имеет постоянную скорость
4.5. Общая система уравнений динамики кавитационного
пузырька в кавитационном облаке
5. Теория локальной электризации кавитационных пузырьков
при деформации их поверхности (без расщепления)
5.1. Электрические явления при деформации поверхности
кавитационного пузырька в форме параболоида вращения
5.2. Электрические явления при деформации поверхности
кавитационного пузырька в форме гиперболоида вращения
6. Усовершенствованный сравнительный калориметрический метод измерения поглощенной и излученной акустической мощности
6.1. Описание метода
6.2. Экспериментальные результаты, полученные
с помощью усовершенствованного сравнительного калориметрического метода
6.2.1. Повторяемость измерений
6.2.2. Сравнение поглощенной и излученной акустической мощности.
6.2.3. Зависимость излученной и поглощенной акустической мощности от геометрических параметров системы
«сосуд - жидкость - излучатель» при развитой кавитации
6.3. Зависимость скорости звукохимической реакции
образования ионов нитрита от акустической мощности в режиме кавитации
Выводы
Литература
1. Введение
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 С Л «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.
4
Целью диссертационной работы является исследование влияния динамики кавитационных пузырьков на механизм сонолюминесценции и звукохимических реакций.
Задачи исследования:
1. 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.
2. Разработка теории локальной электризации кавитационных пузырьков при деформации их поверхности (без расщепления).
3. Разработка метода измерения акустической мощности, излученной источником звука в режиме кавитации, а также усовершенствование метода измерения акустической мощности, поглощенной пузырьковой жидкостью.
4. 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
5
бегущей звуковой волны, и в поле другого пузырька; эффект скачкообразного поступательного движения нелинейно пульсирующего пузырька.
2. Теория локальной электризации кавитационных пузырьков при деформации их поверхности в поле звуковой волны, объясняющая возникновение СЛ и звукохимических реакций в кавитационном облаке.
3. Методика измерения акустической мощности, излученной источником звука в режиме кавитации, а также поглощенной пузырьковой жидкостью. Линейная зависимость скорости звукохимической реакции образования ионов нитрита в
л
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 физикохимическому 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 главе изложены результаты исследования взаимного влияния радиального и поступательного движений кавитационного пузырька.
В §4.1 выводится система уравнений радиального и поступательного движения кавитационного пузырька.
6
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 (Бьеркнеса).
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.).
7
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.
8
2. Литературный обзор
2.1. 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 ~ ЗЛО'10 м теоретически необходимо создать отрицательное давление ~ 2а/г ~ 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.
9
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 м3), 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 ПУ-линии Ка 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,
10
- Київ+380960830922