Исследование спектра звукового излучения процесса электролиза воды

Исследование спектра звукового излучения процесса электролиза воды. Воронина Н.Г.
ОГЛАВЛЕНИЕ
I
»
Стр.
Введение............................................................. 5
1 Электролиз воды как метод образования холодных газожидкостных сред................................................................ 16
1.1 Расчет электролизной установки............................... 16
1.2 Расчет объема выделяющихся газов............................. 21
1.3 Размеры пузырей, выделяющихся при электролизе воды........... 23
Выводы по первой главе.............................................. 26
2 Распространение и поглощение звука в газожидкостных средах 27
2.1 Уравнение движения пузыря.................................... 27
2.2 Коэффициент жесткости пузыря.............................. 31
2.3 Эквивалентная масса пузыря................................... 32
2.4 Собственная частота колебаний пузыря......................... 34
2.5 Механическое сопротивление, коэффициент потерь и добротность пузыря............................................. 37
2.6 Газовый пузырь как пульсирующая сфера........................ 39
2.7 Особенности излучения звука пузырем, отрывающимся от твердой поверхности............................................ 42
2.8 Дисперсия скорости звука и затухание в ГЖС.................. 45
Выводы по второй главе.............................................. 50
3 Исследование параметров акустического излучения, сопутствующего процессам отрыва газовых пузырей от поверхности электрода........................................................... 52
3.1 Исследование процессов отрыва и всплытия на поверхность жидкости пузырей, образованных методом электролиза воды 53
3.1.1 Механизм отрыва пузыря и скорость начальной стадии движения.................................................. 53
3.1.2 Скорость всплытия одиночного пузыря...................... 57
■>
3.2 Исследование акустического излучения, возникающего при отрыве пузыря от твердой стенки................................
3.2.1 Излучение звука жидкой сферой, двигающейся в безграничной жидкости.......................................
3.2.2 Излучение звука пузырем, отрывающимся от
горизонтальной твердой поверхности..........................
3.2.3 Определение колебательной скорости поверхности пузыря методом Фурье преобразований................................
3.2.4 Особенности излучения звука одиночным пузырем, отрывающимся от твердой поверхности, в ГЖС..................
3.3 Колебания пузыря в поле звуковой волны при его всплытии из глубины на поверхность.........................................
3.3.1 Изменение физических параметров газового пузыря при его всплытии к поверхности жидкости.........................
3.3.2 Изменение амплитуды колебаний одиночного пузыря при его всплытии................................................
3.4 Расчет спектра акустического излучения, возникающего при отрыве пузырей от поверхности катода при электролизе воды......
3.4.1 Расчет основных параметров распределения водородных пузырей в пелене............................................
3.4.2 Выбор схемы проведения экспериментальных
исследований процесса излучения звука пузырями,
отрывающимися от твердой поверхности........................
3.4.3 Расчет спектра излучения, создаваемого водородными пузырями, отрывающимися от твердой поверхности..............
Выводы по третьей главе...........................................
4 Исследования параметров акустического излучения, сопутствующего процессам отрыва газовых пузырей от поверхности электрода..................................................... 106
4.1 Экспериментальное исследование процесса электролиза воды и оценка параметров получаемой газожидкостной смеси............. 107
4.1.1 Описание электролизной установки....................... 107
4.1.2 Расчет объема выделяющихся газов и концентрации газовой фазы в облаке................................... 111
4.1.3 Построение функции распределения пузырей по размерам.. 113
4.1.4 Дисперсия скорости звука и пространственный коэффициент затухания в ГЖС............................. 123
4.2 Экспериментальное исследование параметров акустического излучения, возникающего при электролизе воды.................. 126
4.2.1 Описание экспериментальной установки................... 126
4.2.2 Процесс измерений...................................... 130
4.2.3 Измерения узкополосного спектра........................ 136
4.2.4 Анализ результатов измерений узкополосого спектра излучения звука......................................... 140
4.2.5 Сопоставление результатов расчета и измерений уровней шума электролизера воды................................. 148
Вы воды по четвертой главе......................................... 152
Заключение......................................................... 154
Список цитируемой литературы...................................... 158
Приложения......................................................... 164
Приложение А.................................................... 165
Приложение Б.................................................... 166
Приложение В.................................................... 169
Приложение Г.................................................... 173
4
ВВЕДЕНИЕ
Диссертационная работа посвящена теоретическим и экспериментальным исследованиям процесса излучения звука пузырями, отрывающимися от твердой поверхности при электролизе воды.
В гидроакустике электролиз воды используется для получения газожидкостных смесей (ГЖС), представляющих собой слой воды, содержащей водородные пузыри. По общей классификации, подобные ГЖС относятся к холодным двухфазным средам. Слои ГЖС обычно используются как акустические экраны, обладающие хорошей звукоотражающей способностью или высоким звукоизолирующим эффектом. Эти эффекты достигаются тем, что на низких частотах скорость звука в ГЖС может быть более чем на порядок ниже скорости звука в жидкости, не содержащей пузырей. Другое применение слоев ГЖС связано с использованием их в задачах управления свойствами пограничного слоя корабля (снижение трения воды о твердую поверхность).
В практике судостроения слои ГЖС чаще всего формируют вблизи твердых поверхностей корпуса, соприкасающихся с водой. Так, например, снижение низкочастотных вибраций корпусных конструкций, возбуждаемых гребным винтом через воду, может быть обеспечено посредством вдува между корпусом и винтами воздушных пузырей, которые образуют слой ГЖС (пелену) вблизи поверхности кормовой части судна [1-3]. В результате снижения уровня вибраций корпусных конструкций наблюдается снижение уровней шума в кормовых помещениях судна. Для исключения звукоизлучения с поверхности подводной части судна в воду вблизи поверхности днища создают слой ГЖС [4], который может покрывать как всю эту поверхность, так и ее отдельный участок, характеризующийся наибольшей вибрационной активностью поверхности корпуса.
Альтернативным способом создания слоя ГЖС между работающим гребным винтом и поверхностью корпуса судна является вдувание воздуха через вентиляционные трубы, установленные непосредственно в плоскости
5
винта [5]. Таким образом, винт оказывается окруженным звукопоглощающим пузырьковым слоем, а система характеризуется минимальным расходом воздуха.
Впервые идея снижения трения воды о твердую поверхность с помощью воздуха, вдуваемого в пограничный слой, была высказана Фрудом в 1875 году. В дальнейшем эта идея получила теоретическую базу в работах Л.Г.Лойцянского и К.К.Федяевского [6, 7], в которых прогнозируется многократное уменьшение трения.
Во всех случаях, рассмотренных выше [1 - 7], предлагается создавать слой ГЖС вблизи поверхности подводной части судна посредством вдува воздуха в пристеночный слой воды. Следует иметь в виду, что газожидкостный пограничный слой, образующийся при вдуве в воду воздуха или какого-нибудь другого газа, является как звукоизолирующим средством, так и источником звука. Звукоизлучение систем, применяющихся для создания ГЖС, и турбулентного пограничного слоя, содержащего воздушные пузыри, активно исследовалось в середине прошлого века. В этих исследованиях было показано (см., например, работы [8, 9]), что турбулентный пограничный слой является достаточно мощным источником звука, интенсивность которого растет пропорционально шестой степени скорости свободного потока. Наличие этого шума является отрицательным фактором, влияющим на работу различных гидроакустических систем.
Дальнейшее развитие вопросов, связанных с применением ГЖС для задач управления пограничным слоем, получило в работах [10, 11], где показано, что переход от ГЖС, содержащей достаточно крупные пузыри, к микропузырьковой ГЖС позволяет значительно повысить эффективность газонасыщения как средства уменьшения трения и акустического экранирования кораблей. Кроме того, в этой же работе предложен способ снижения шумности системы вдувания газа в водную среду.
В последние годы электролиз воды получил новое применение в морской технике. Это связано с разработкой и внедрением магнитогидродинамических
6
движителей (МГД), работающих на морской воде [12, 13, 14, 15, 16]. В таких движителях упор создается за счет взаимодействия сильного магнитного поля, создаваемого сверхпроводящим магнитом, с электрическим током, протекающим через морскую воду и создаваемым в ней путем электролиза: воды. Считается, что уровень шума и вибраций, создаваемых МГД движителем должен быть значительно ниже традиционных водометных движителей за счет отсутствия в них редуктора и винта. Однако подробного исследования акустических характеристик МГД движителей, достаточного для сравнения с аналогичными параметрами традиционных водометных движителей, нет, а появившиеся недавно работы [14, 15], не охватывают всех аспектов акустики МГД движителей.
Согласно исследованиям, результаты которых приводятся в работе [10], микропузырьковой ГЖС, можно считать жидкость, содержащую пузыри, имеющие радиус Я < 150 мкм. Этому условию автоматически удовлетворяет способ создания ГЖС, основанный на электролизе воды [17]. Преимуществом этого способа создания ГЖС является так же то, что в данном случае отсутствует система вдувания газа в водную среду, следовательно, это приводит к уменьшению собственного звукоизлучен и я слоя ГЖС, но не устраняют его полностью. Пузыри, заполненные в основном водородом, зарождаются непосредственно на поверхности твердого тела (корпуса судна и внутреннего канала водометного МГД движителя), которое является катодом электролизера. Отрыв пузырей от поверхности приводит к динамическому возбуждению жидкой среды и, как следствие этого, к излучению звука. Подобный механизм излучения звука до сих пор не был изучен. Это и определило актуальность данной работы.
В работе исследуется процесс излучения звука водородными пузырями, отрывающимися от горизонтальной твердой поверхности катода электролизера воды. Поэтапно рассматриваются рост и отрыв одиночного пузыря от поверхности, возбуждение колебаний пузыря и спектр его акустического
7
излучения. С учетом распределения пузырей по радиусам определяются частотный диапазон и уровни излучения звука при электролизе воды.
Цель работы состояла в том, чтобы на основе теоретических и экспериментальных исследований процесса образования шума, сопровождающего электролиз воды, выявить закономерности формирования спектра излучения звука при работе электролизеров и использовать их для разработки новых методов расчета параметров спектра звукоизлучения и создания базы данных для выработки рекомендаций по снижению шумности электролизеров.
Для достижения этой цели поставлены задачи:
- исследовать процесс электролиза воды и выявить наиболее общие закономерности в работе электролизеров как системы для создания ГЖС, так и источника шума;
- найти связь между основными параметрами, задающими режим работы электролизера воды, и параметрами акустического излучения, возникающего в процессе создания ГЖС;
- разработать физическую модель, описывающую рост и отрыв пузыря от поверхности катода, возбуждение в пузыре колебаний и излучение звука в момент его отрыва от поверхности;
- разработать линейную теорию излучения звука одиночным пузырем, отрывающимся от твердой горизонтальной поверхности;
- обосновать выбор распределения пузырей по радиусам, наиболее полно характеризующего процесс образования ГЖС, и найти основные параметры, позволяющие использовать это распределение для расчета шума процесса электролиза;
- разработать методику расчета спектра излучения звука, возникающего при электролизе воды;
- провести сопоставительный анализ результатов расчета и акустических измерений параметров излучения звука при электролизе воды.
8
При решении поставленных в работе задач использовались методы линейной и физической акустики, операционное исчисление, прямое и обратное преобразование Фурье и другие математические методы, пакеты прикладных компьютерных программ Ма(Исас1-2001 и \fathematica у.4.1. Обработка результатов измерений проводилась посредством программы, составленной в компьютерной программной среде LabView 6и
В диссертации впервые теоретически и экспериментально исследован процесс излучения звука, возникающего при отрыве водородных пузырей от твердой поверхности катода при электролизе воды.
В процессе работы создана физическая модель, на основе которой разработана линейная теория образования звука, излучаемого одиночным пузырем, отрывающимся от горизонтальной твердой поверхности. Разработана методика расчета уровней и спектра излучения звука, возникающего в процессе электролиза воды, учитывающая распределение пузырей по радиусам и распространение звука в холодной двухфазной среде. Предложена методика экспериментального исследования спектрального состава шума отрыва пузырей от твердой поверхности в процессе электролиза воды. Дан подробный анализ результатов расчета и акустических измерений спектра излучения звука, возникающего при отрыве пузырей от твердой поверхности при электролизе воды, что позволило установить основные особенности формирования спектра излучения шума и возможность возникновения нелинейного излучения звука отрывающимися пузырями.
Практическая ценность диссертационной работы состоит в том, что ее результаты позволяют:
- определить условия и способы применения холодных двухфазных сред, созданных посредством электролиза воды, в прикладных задачах гидроакустики и управления свойствами пограничного слоя судна;
- разработать рекомендации по снижению шума электролизеров воды, входящих в состав судового оборудования;
9
- определить частотный диапазон и возможные уровни шума разрабатываемых систем электролиза воды;
- организовать исследования процессов нелинейного излучения звука пузырями, отрывающимися от твердой поверхности в полупространство, заполненное холодной двухфазной средой.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и четырех приложений.
В первой главе представлен обзор опубликованных работ, посвященных процессу электролиза воды, и проведен анализ особенностей протекания этого процесса. При этом особое внимание уделено изучению зависимости структуры образующейся ГЖС от параметров электролизера и условий протекания процесса с целью использования этих данных в экспериментальной части работы и получения параметров, необходимых для проведения акустических расчетов. Получены выражения, связывающие параметры режима работы электролизера с характеристиками образующихся в них ГЖС, для различных случаев практического применения.
Полученные результаты свидетельствуют о том, что размеры пузырей, образующихся на поверхностях твердых электродов достаточно малы, чтобы считать ГЖС, создаваемую путем электролиза воды, микропузырьковой средой. Этот факт характеризует преимущество использования электролизных установок для создания ГЖС по сравнению с установками, разработанными для создания систем воздух-вода, и позволяет рассматривать этот процесс как весьма перспективный в применении для решения гидроакустических задач
Во второй главе изложен обзор используемых в линейной акустике подходов по описанию динамики в акустическом поле пузырей, характерные размеры которых меньше длины звуковой волны в жидкости. Приводится описание динамики сферических пузырей в звуковом поле, сформулированы уравнения, на которых базируется теория вынужденных колебаний пузыря. Анализ литературы показал, что спектр известных теоретических подходов, используемых для описания излучающего в жидкости пузыря, варьируется от
ю
задач колебаний гармонического осциллятора с одной степенью свободы, ограниченных рамками линейной акустики, до сложных исследований, не имеющих общих решений.
В главе также представлены данные и выражения, необходимые для расчета всех физических параметров пульсирующего пузыря. Рассмотрены параметры, характеризующие пузырь как источник звука. С учетом специфики представленных параметров записано уточненное уравнение движения одиночного пузыря, совершающего пульсационные колебания в безграничной жидкости. Сформулированы особенности излучения звука пузырями, находящимися в непосредственной близости от твердой поверхности.
Рассмотрены подходы физической акустики к описанию особенностей распространения звуковых волн в холодных двухфазных средах и влияние ГЖС на параметры акустического излучения пузыря пульсирующего вблизи твердой поверхности. Используются современные методики расчета дисперсионной кривой и частотной зависимости пространственного коэффициента затухания звука в двухфазной среде.
В третьей главе приведено рассмотрение представленных в литературе основных параметров отрывающихся и всплывающих в жидкости пузырей и завершено описание динамики пузырей, необходимое для достижения поставленной в работе цели, а также предложен метод оценки уровня и спектрального состава звукового излучения, вызванного отрывающимися пузырями и сопровождающего электролиз воды.
Глава состоит из четырех разделов. В первом из них рассмотрены процессы отрыва и начальной стадии движения пузыря в жидкости. Записаны выражения для скорости отрыва и всплытия пузыря и проведен их сравнительный анализ. Представленное в литературе описание роста и отрыва газового пузыря от твердой горизонтальной поверхности, основанное на условиях образования паровых пузырей, позволило создать физическую модель, использование которой помогло найти время роста и скорость отрыва водородных пузырей от поверхности.
Во втором разделе построена физическая модель акустического излучения, возникающего при отрыве одиночного пузыря от катода электролизера, и формулируются подходы к описанию физических основ этого процесса. Предполагается, что в момент отрыва пузыря его поверхность испытывает динамическое воздействие со стороны окружающей его жидкости. Возникающее при этом на границе раздела фаз гидродинамическое взаимодействие вызывает образование поля давлений и приводит к деформации и осцилляциям поверхности пузыря а, следовательно, к излучению звука. На базе этой модели построена линейная теория излучения звука одиночным пузырем, отрывающимся от поверхности катода.
Решение модельной задачи об излучении звуковой волны сферическим пузырем, начинающим движение от поверхности твердой стенки и излучающим в пузырьковое облако получено посредством использования представленной в литературе теории излучения звука движущейся жидкой сферой. На основе построенной физической модели получено спектральное представление излучаемого шума и проведен его анализ с учетом отличия характеристик двухфазной жидкости от чистой воды. Исследования показали, что в момент отрыва пузырь излучает акустическую волну, основная часть энергии которой относится к излучению в звуковом диапазоне частот. Кроме того, уровень этого излучения настолько значителен, что может улавливаться не только при помощи специальной аппаратуры, но и просто человеческим ухом.
В третьем разделе приведено рассмотрение представленных в литературе основных параметров всплывающих в жидкости пузырей, установлены особенности изменения резонансных характеристик пузырей по мере всплытия. Показано, что интенсивность шума, сопровождающего электролиз, в любой точке пространства должна находиться путем суммирования интенсивностей, по крайней мере, трех процессов: излучения при отрыве, переизлучения акустических волн всплывающими пузырями и сигнала от пузырей, разрывающихся на поверхности. Это привело к необходимости поиска схемы
12
измерений, позволяющей выделить сигнал отрывающихся пузырей от общего
I
фона электролизного шума. ;
В четвертом разделе главы произведен выбор оптимальной структуры измерительной установки и на основе имеющихся в литературе данных построена структурная схема системы отрывающихся от поверхности катода пузырей. С учетом особенностей схемы измерений и выбранного распределения пузырей по радиусам сформулированы и теоретически обоснованы основные положения метода расчета звукового излучения, сопровождающего отрыв пузырей от твердой поверхности при электролизе воды как системы невзаимодействующих источников звука. Рассмотрен пример использования разработанного метода для теоретических расчетов спектра излучения звука поверхностью катода одного из образцов электролизера. Сформулированы методические и технологические особенности построения экспериментального электролизера и задачи акустических исследований.
Четвертая глава диссертации посвящена экспериментальному исследованию акустического излучения, сопутствующего процессу электролиза воды, и проверке теоретических предположений путем сравнения результатов расчета и экспериментальных данных. Первый раздел посвящен исследованию физических аспектов образования ГЖС с помощью электролизера выбранной конструкции. Здесь также описаны структура и параметры электролизной установки. Основной акцент был сделан на определение параметров получаемой пузырьковой пелены, используемых впоследствии в обработке результатов измерения уровня шума.
Второй раздел четвертой главы диссертации посвящен экспериментальному исследованию акустического излучения, сопровождающего процесс отрыва пузырей от поверхности катода, и получению спектра этого излучения. Приведено описание экспериментальной установки и процесса измерений. Выполнено сопоставление результатов расчета и измерений уровней шума, излучаемого пузырями, отрывающимися от горизонтальной твердой поверхности катода при электролизе воды.
13
В заключении содержатся выводы и кратко сформулированные основные результаты, полученные в диссертации
Основные положения, выносимые на защиту На защиту выносятся:
1. Физическая модель отрыва и излучения звука одиночным пузырем, отрывающимся от горизонтальной твердой поверхности в жидкое полупространство.
2. Линейная теория излучения звука одиночным пузырем, отрывающимся от горизонтальной поверхности в жидкость, в основу которой положено предположение о том, что в момент отрыва пузыря от поверхности его поверхность совершает затухающие пульсационные колебания на основной частоте.
3. Методика расчета уровней и спектра излучения звука при электролизе воды.
4. Методика измерений уровней шума создаваемого пузырями, отрывающимися от горизонтальной твердой поверхности при электролизе воды.
5. Экспериментальное доказательство нелинейного излучения звука частью пузырей, создаваемых в процессе электролиза воды.
Результаты, изложенные в диссертации, докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах:
- Всероссийская НПК «200 лет образования ВВМИУ им. Ф.Э.Дзержинского», СПб, 1998;
- Юбилейная НТК, посвященная 100-летию СПбГМТУ, СПб, 1999;
- 3-я международная конференция по морским интеллектуальным технологиям «МОРИНТЕХ-99», СПб, 1999;
- НТК «Проблемы мореходных качеств судов и корабельной гидромеханики,
I
XXXIX Крыловские чтения», СПб, 1999;
- 7-ая Всероссийская Научная Конференция Студентов- физиков и молодых ученых; ВНКСФ-7, СпбГУ, Екатеринбург-СПб, 2001;
- XI сессия российского акустического общества, М, 2001;
- 8-ая Всероссийская Научная Конференция Студентов- физиков и молодых ученых, ВНКСФ-8, Екатеринбург, 2002;
- 6-ая международная конференция «Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики», СПб, 2002.
- НТК “Кораблестроительное образование и наука-2003”, СПбГМТУ, 2003 г.
- XIII сессия российского акустического общества, М, 2003
Основные результаты диссертации опубликованы в работах, список которых представлен в конце диссертации.
15