close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

ИНЖЕНЕРНО-ФИЗИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ ИФЖ. Том 87, № 3 650

код для вставкиСкачать
ИНЖЕНЕРНО-ФИЗИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ
2014 г.
МАЙ–ИЮНЬ
ТОМ 87, № 3
УДК 541.183.534.2
Б. И. Бахтин1, А. И. Ивашов2, А. В. Кузнецов2, А. С. Скороходов1
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ ФОРМИРОВАНИЯ
КАВИТАЦИОННЫХ ЗОН В СИЛЬНЫХ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ПОЛЯХ
Исследованы особенности возбуждения и образования кавитационных зон в различных средах, их физической
активности, геометрических и энергетических характеристик в ультразвуковых полях с удельной акустической
мощностью до 37 Вт/см2, создаваемых излучателем стержневого типа с потребляемой электрической мощностью до 5 кВт. Впервые рассмотрено влияние гидродинамических течений, генерируемых в жидкой среде
самим стержневым волноводом, на формирование и характеристики кавитационных зон в мощных ультразвуковых полях. Проверена возможность повышения физической активности кавитации за счет введения в среду
активирующих добавок. На основе проведенных исследований сформулированы предложения по существенному
повышению активности кавитационной зоны и эффективности кавитационной обработки сред и материалов.
Ключевые слова: ультразвуковая кавитация, ультразвуковой излучатель, кавитационная зона, активность
кавитации, кавитационные пузырьки, кумулятивные микроструйки.
Введение. Исследования ультразвуковой кавитации имеют длительную историю [1–8] и содержат многочисленные публикации по этой теме. Однако на сегодняшний день остается немало неясного в понимании
закономерностей формирования кавитационных полей, описании и представлении их характеристик, особенностей механизмов воздействий на окружающую среду или объекты, находящиеся в зоне кавитации. Одна из
трудностей, возникающих при рассмотрении указанных вопросов, состоит в неопределенности самих понятий
характеристик кавитационных зон и их количественных показателей. В работах [9, 10] в качестве показателя
одной из характеристик (активности) кавитационных зон было предложено использовать амплитуду интегральных акустических шумов в диапазоне частот от 200 кГц до 10 МГц, которую можно регистрировать с помощью
гидрофона. Эта характеристика была названа акустической активностью кавитации [9]. Предполагается, что
акустический шум в указанном диапазоне частот связан преимущественно с импульсами давлений (гидроударами), возникающими при схлопывании кавитационных пузырьков [1, 3, 11]. Определенный вклад в эти шумы
могут вносить также пульсации скоплений пузырьков в ультразвуковом поле.
Большинство известных многочисленных исследований по ультразвуковой кавитации проводилось с использованием однокомпонентных жидких сред (чаще всего воды) при атмосферном давлении и относительно невысокой удельной акустической мощности (1–10 Вт/см2). В условиях увеличения удельной акустической
мощности до 30–40 Вт/см2 и повышения давления среды в диапазоне до 1 МПа отмечалось существенное возрастание акустической активности (почти на порядок величины) кавитационных зон [9, 10]. При этом стержневые волноводы излучателя, выполненные из различных материалов (сплавы титана, стали, алюминия),
подвергались аномально быстрой неравномерной эрозии, которая могла приводить к полной потере их работоспособности за короткое время [9].
При повышении потребляемой мощности излучателя от 1 до 5 кВт была обнаружена определенная особенность характера изменения акустической активности кавитации — сначала она возрастала, а затем, достигнув
максимума, начинала снижаться при дальнейшем увеличении мощности. Обработка различных жидких сред,
в частности многокомпонентных смесей углеводородов кавитационных полей, максимальной акустической активностью приводила к заметным физическим и химическим превращениям смесей [10].
Можно считать, что потенциальные возможности повышения эффективности различных технологических
процессов кавитационной обработки материалов (обеззараживание жидких сред, ускорение физико-химических превращений, гомогенизация или разделение смесей, деструкция материалов, очистка загрязненных поверхностей) еще далеко не исчерпаны.
1
Исследовательский центр им. М. В. Келдыша. Россия, 125438, Москва, ул. Онежская, 8; 2Московский государственный технический университет им. Н. Э. Баумана. Россия, 105005, Москва, ул. 2-я Бауманская, 5; э-почта:
[email protected] Поступила 01.11.2013.
650
ИФЖ. Том 87, № 3
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ ФОРМИРОВАНИЯ КАВИТАЦИОННЫХ ЗОН
Задачи настоящей работы состояли в исследовании особенностей и закономерностей формирования кавитационных зон в различных средах под воздействием мощного ультразвукового излучения, в оценке их характеристик и в выявлении условий достижения максимальной активности кавитации с конечной целью повышения
эффективности технологических процессов кавитационной обработки сред и материалов.
Для проведения исследований использовалась ультразвуковая установка мощностью до 5 кВт со стержневым излучателем. Кавитационные зоны формировались в различных средах внутри цилиндрической камеры с
прозрачными стенками (кювете) при атмосферном давлении.
Постановка задачи. При создании стоячей волны колеблющимся торцем стержневого излучателя в неподвижной жидкой среде первая пучность давления располагается на расстоянии s от торца излучателя равном
четверти длины волны λ:
s =
λ 4 =
α 4f , (1)
где α — скорость звука в среде, f — частота колебаний. Если амплитуда звукового давления достигает значения, достаточного для возбуждения кавитации на данной частоте, то ожидаемый начальный участок появления
кавитационной зоны должен располагаться по оси излучателя на расстоянии s от его торца. С увеличением
мощности излучения и расширением зоны кавитации начинают развиваться всевозможные процессы, одним из
которых является возникновение двухфазной среды в кавитационной зоне.
Известно, что появление пузырьков газа в жидкой среде приводит к заметному снижению скорости звука.
В двухфазной среде с объемным газосодержанием, равным 0.5, скорость звука может быть на два порядка ниже,
чем в чистой жидкости, и на порядок ниже, чем в газе [12]. Это означает, что по мере усиления кавитации может
проявиться тенденция к смещению кавитационной зоны к торцу излучателя (1). Кроме того, газовые пузырьки
могут приводить к рассеиванию ультразвуковых волн и снижению энергии кавитационного поля. В случае накапливания пузырьков вблизи торца волновода при создании газовой прослойки может произойти резкое снижение волновой энергии, передаваемой в жидкую среду.
Другие процессы, от которых может зависеть эволюция кавитационной зоны, связаны с вихревыми потоками
жидкости, формируемыми за счет продольной вибрации стержневого волновода. Основные закономерности возникновения таких потоков рассмотрены в диссертационной работе В. Г. Козлова [13]. Как показано в ней, колебание кромки торцевой части волновода генерирует тороидальный вихрь, направление вращения которого зависит
от амплитуды и частоты колебаний, диаметра волновода, вязкости среды. Тороидальный вихрь создает поток
среды вдоль оси волновода, движущийся к торцу волновода или в обратном направлении. При движении потока,
направленного от волновода, в торцевой области может возникать зона пониженного давления. В ней создаются
условия, облегчающие образование кавитационных пузырьков, но затрудняющие условия их схлопывания.
Появление кавитационных пузырьков в жидкой среде под воздействием отрицательной фазы звукового давления в значительной степени зависит от количества исходных газовых или паровых зародышей в этой среде.
Можно предполагать, что незначительные добавки к жидкой среде, способствующие появлению дополнительных
зародышей в условиях сильных ультразвуковых полей, могут существенно повлиять на форму и активность кавитационной зоны. Возможно также использование активирующих добавок, вступающих в указанных условиях в
химическую реакцию со средой с образованием микропузырьков газовой фазы, что также может повлиять на характеристики кавитационного поля. В публикациях по ультразвуковой кавитации информации по исследованию
такого влияния не обнаружено. Таким образом, особенности и закономерности формирования кавитационных
зон, их размеры и энергетические характеристики могут зависеть от целого ряда перечисленных выше факторов.
Одна из основных задач настоящих исследований заключалась в выяснении влияния указанных процессов
на особенности формирования и характеристики кавитационной зоны при условии мощного ультразвукового
излучения. Для исследования формы кавитационной зоны и ее энергетических характеристик в область зоны
вдоль оси излучателя вводились индикаторы (маркеры) из тонкой алюминиевой фольги. Процессы разрушения
индикаторов и движения потоков жидкости в этой области регистрировались с помощью видео-фотоаппаратуры.
Описание экспериментальной установки. Схема экспериментальной установки показана на рис. 1. Ультразвуковой излучатель включал в себя магнитострикционный преобразователь 1 типа ПМС15-18А, установленный на раме 3, и стержневой волновод 2 с диаметром цилиндрической излучающей части 50 мм. Электрические импульсы, подаваемые на преобразователь, формировались генератором 6 типа УЗГВ 5-22 с выходной
(потребляемой преобразователем) мощностью до 5 кВт. Рабочая частота волновода составляла 17.5 кГц. ИнИФЖ. Том 87, № 3
651
Б. И. БАХТИН, А. И. ИВАШОВ, А. В. КУЗНЕЦОВ, А. С. СКОРОХОДОВ
тенсивность акустического излучения в воде, измеренная калориметрическим методом, изменялась от 6 до
37 Вт/ см2 при увеличении потребляемой мощности от 0.7 до 5 кВт. Нижняя часть волновода располагалась внутри цилиндрической камеры (кюветы) 5, заполняемой жидкой средой, с прозрачными стенками, позволяющими
производить видео-фотосъемку (7) процессов, происходящих в области формирования кавитационной зоны.
Ниже волновода вдоль его оси на небольшом расстоянии (~1 мм) от торца размещалась закрепленная в оправке
полоса алюминиевой фольги (индикатор физической активности кавитации) толщиной 150 мкм и шириной,
равной диаметру волновода. При таком расположении фольга практически не препятствовала распространению
ультразвуковых волн и могла подвергаться физическому воздействию схлопывающихся вблизи нее кавитационных пузырьков. Как показали эксперименты, эти воздействия приводили к локальной деформации фольги
и ее сквозным пробоям, которые могли заканчиваться полным разрушением участков фольги, находящихся в
кавитационной зоне.
Скорость массоуноса при разрушении индикаторов можно рассматривать в качестве показателя физической активности кавитационной зоны Аф = ∆s δρ фл ∆τ, где ∆s — площадь разрушенного участка фольги за время разрушения ∆τ, отсчитываемого от начала воздействия, δ — толщина фольги, ρ фл — плотность материала
фольги. Если известна удельная энергия разрушения индикатора Wуд (она зависит от механизма разрушения),
то произведение АфWуд [Вт] будет определять мощность физической активности кавитации N ф . Величина
этой мощности, отнесенная к единице разрушенной площади индикатора ( N ф ) уд = АфWуд ∆s = δρWуд ∆τ ,
может быть названа удельной мощностью физической активности кавитации по аналогии, например, с понятием удельной акустической мощности. Во всех экспериментах использовались одинаковые индикаторы (значения δ и ρ не изменялись). Это позволяет сравнивать физическую активность кавитации в различных жидких
средах через отношение площадей разрушенных участков индикатора за одинаковое время разрушения при
одинаковой потребляемой мощности излучателя. Это отношение было названо сравнительной физической активностью кавитации Aф . Удельная мощность физической активности кавитации, как следует из приведенной
выше формулы, обратно пропорциональна времени разрушения участков индикатора. Отношение удельных
мощностей для двух участков, например, двух областей кавитационной зоны, равно обратной величине отношения времен их разрушения. На основе результатов воздействия кавитационного поля на индикаторы, в частности, по характеру изменения с течением времени площади и формы разрушенных участков можно определить
геометрические размеры и форму кавитационной зоны, сделать заключение о распределении физической активности кавитации и ее удельной мощности внутри зоны.
Взаимное расположение индикатора, закрепленного в оправке, и волновода показано на рис. 2. Подставка
индикатора, выполненная из диэлектрика, располагалась от торца волновода на расстоянии, равном 3/4 длины
волны λ, в неподвижной невозмущенной среде.
Рис. 1. Схема экспериментальной установки:
1 — магнитострикционный преобразователь,
2 — волновод, 3 — рама, 4 — фольга, 5 — кювета, 6 — генератор электрических импульсов,
7 — аппаратура для видео-фотосъемки
652
Рис. 2. Расположение индикатора (фольги) относительно волновода: 1 — волновод, 2 — оправка, 3 — фольга, 4 — подставка
ИФЖ. Том 87, № 3
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ ФОРМИРОВАНИЯ КАВИТАЦИОННЫХ ЗОН
Динамика и особенности формирования кавитационной зоны. Кавитационные поля с заметной физической активностью кавитации создавались при потребляемой электрической мощности излучателя в диапазоне 1–5 кВт в воде, толуоле, нефти и других средах. Изучение материалов видеосъемки процессов, происходящих в воде вблизи торца волновода под воздействием ультразвукового излучения, подтвердило существование
сильных гидродинамических течений [13], которые сопровождались появлением долгоживущих пузырьков размерами от долей миллиметра до 2–3 миллиметров. Такие пузырьки двигались преимущественно по замкнутым
траекториям: вдоль торцевой поверхности волновода к его центру, далее вдоль его оси вниз, а затем, разворачиваясь на 180о, вверх вдоль стенки камеры (рис. 3). При относительно небольшой потребляемой мощности
излучателя (1–1.5 кВт) пузырьки формировались вблизи торца в виде отдельных струек (рис. 4). Подобные
кластерные скопления пузырьков наблюдались в [14, 15]. Следы аномальных разрушений волноводов в виде
радиальных бороздок на поверхности торца, отмеченные в [9], непосредственно связаны, по-видимому, с этими
радиальными движениями скоплений пузырьков (микропотоками пузырьков).
При повышении мощности излучателя наблюдалось возрастание скорости долгоживущих пузырьков и их
максимальных размеров. В условиях излучения ультразвука с потребляемой мощностью ~3.5–4 кВт микропотоки пузырьков вблизи поверхности торца практически сливаются вместе, образуя единое поле пузырьков в
форме диска (рис. 5).
При воздействии кавитационного поля на индикатор была установлена неожиданная последовательность
разрушения фольги. Оно начинается в верхней части фольги и со временем распространяется вниз. На рис. 6
представлены фотографии индикатора через 5 (а) и 20 (б) секунд после обработки в кавитационном поле. Из
приведенных рисунков видно, что после обработки в течение пяти секунд небольшие повреждения фольги
Рис. 3. Схема гидродинамических течений: 1 — волновод,
2 — тороидальный вихрь, 3 — траектории замкнутых течений, 4 — подставка
Рис. 4. Микропотоки пузырьков в области торцевой
части волновода: 1 — боковая поверхность волновода, 2 — уровень жидкости, 3 — микропотоки пузырьков
ИФЖ. Том 87, № 3
Рис. 5. Вид скопления пузырьков в области торцевой части волновода: 1 — боковая поверхность
волновода, 2 — уровень жидкости, 3 — поле пузырьков
653
Б. И. БАХТИН, А. И. ИВАШОВ, А. В. КУЗНЕЦОВ, А. С. СКОРОХОДОВ
Рис. 6. Фотографии индикаторов (рабочая среда — вода, N = 1 кВт, время воздействия: а — 5 с, б — 20)
возникают непосредственно в районе ее верхней кромки и вблизи нее на расстоянии 2–8 мм. Это означает,
что область максимальной удельной мощности физической активности кавитации смещена к торцу волновода по отношению к положению пучности звукового давления в неподвижной однофазной среде (для воды
s =
λ 4 =
21 мм). Следы воздействия кавитации на фольгу, не приведшие к ее сквозному пробою (кратеры,
вмятины), наблюдаются на расстоянии до 10–12 мм от кромки. Таких следов намного меньше на фотографии
рис. 6, б (этот снимок соответствует времени воздействия, когда разрушение индикатора практически прекратилось), поэтому можно полагать, что участок сквозного разрушения этого индикатора соответствует конфигурации продольного сечения сформировавшейся кавитационной зоны. Учитывая, что удельная мощность
физической активности кавитации обратно пропорциональна времени разрушения фольги, можно определить
характер ее распределения по объему зоны (рис. 7) на основе изменения со временем площади разрушаемых
областей индикатора. Область 1 на этом рисунке схематично иллюстрирует участок разрушения индикатора
после его нахождения в кавитационной зоне в течение пяти секунд. Области разрушений, обозначенных позициями 2, 3, 4, соответствуют временам воздействия в течение 10, 15 и 20 с. В этих областях удельная мощность физической активности кавитации ниже, чем в области 1 соответственно в 2, 3 и 4 раза. Необычным
в этом распределении является высокая физическая активность кавитации в тонком слое непосредственно
вблизи торцевой поверхности волновода, где амплитуда звукового давления ультразвуковой волны стремится
к нулю. Можно предположить, что схлопывание радиально движущихся пузырьков в этой области происходит не под влиянием положительной фазы давления
ультразвуковой волны, а под воздействием пульсирующего скоростного напора слоя жидкости, прилегающего к торцу волновода, а также под непосредственным
ударным воздействием торца на пузырьки. Проведенные ранее исследования эрозии волноводов в сильных
ультразвуковых полях [9] косвенно подтверждают возможность такого механизма коллапса пузырьков. Результатом повышенной физической активности кавитационной зоны вблизи торца волновода являлась быстрая
неравномерная эрозия торца [9]. Отмеченные особенности формирования кавитационной зоны предположительно связаны с созданием колеблющейся кромкой
волновода радиальных потоков пузырьков вдоль торца.
Рис. 7. Характер распределения физиЧтобы устранить или ослабить эти потоки, вокруг
ческой активности кавитации при понижней части волновода была закреплена тонкостентребляемой мощности излучателя 1 кВт:
ная цилиндрическая обечайка, частично выступающая
1 — область с максимальной активностью
кавитации (Аф)max, 2 — (Аф)max /2, 3 —
за поверхность торца (рис. 8). Предполагалось, что та(Аф)max /3, 4 — (Аф)max/4
кое конструктивное решение позволит сместить вниз и
654
ИФЖ. Том 87, № 3
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ ФОРМИРОВАНИЯ КАВИТАЦИОННЫХ ЗОН
ослабить вихревое течение жидкой среды, вывести радиальные потоки пузырьков из торцевой зоны. При экспериментальной отладке усовершенствованной конструкции
волновода возникли технологические трудности с креплением обечайки и сохранением частотных характеристик
волновода, которые были преодолены опытным путем.
Эксперименты показали, что обечайка оказывает заметное
влияние на формирование гидродинамических течений и
кавитационной зоны. Существенно уменьшилось количество относительно крупных долгоживущих пузырьков,
изменился характер распределения удельной мощности
физической активности по объему кавитационной зоны.
Рис. 8. Схема волновода с обечайкой
Возможно, что часть крупных пузырьков создается за счет
вихревых течений, интенсивность которых снижается при
наличии обечайки. На рис. 9 показаны кадры видеосъемки разрушения индикатора в воде при использовании волновода с обечайкой. При потребляемой мощности 1
кВт разрушение фольги начинается на расстоянии примерно 12 мм от торца волновода и с течением времени
расширяется во все стороны. В верхней части индикатора через 16 с обработки сохраняется полоска неразрушенной фольги. Характер распределения удельной мощности физической активности кавитации внутри кавитационной зоны для этого случая показан на рис. 10. Как видно, область 1 с максимальной удельной мощностью
физической активности кавитации формируется (начиная примерно с третьей секунды) ближе к средней части
кавитационной зоны, но лежит выше места расположения пучности давления в однофазной среде. Величина
удельной мощности в 1 при экспериментах с обечайкой превышает аналогичную величину при экспериментах
без обечайки примерно в 1.5 раза. Области 1, 2, 3, 4 на рис. 10 соответствуют времени пребывания индикатора
в кавитационной зоне соответственно в течение 4, 8, 12 и 16 секунд (к этому времени разрушение практически
закончилось). Область 5 представляет собой полоску неразрушенного участка индикатора. Почти исчез участок
с высокой физической активностью кавитации непосредственно вблизи торца волновода, характерный для условий экспериментов без использования обечайки (рис. 7).
Рис. 9. Последовательность разрушения фольги по времени при использовании волновода с обечайкой (среда — вода, N = 1 кВт)
ИФЖ. Том 87, № 3
655
Б. И. БАХТИН, А. И. ИВАШОВ, А. В. КУЗНЕЦОВ, А. С. СКОРОХОДОВ
Рис. 10. Характер распределения физической активности кавитации при использовании волновода с обечайкой (N = 1кВт):
1 — область с максимальной активностью кавитации (Аф)max,
2 — (Аф)max /2, 3 — (Аф)max /3, 4 — (Аф)max /4, 5 — (Аф)max /5
Ресурсные испытания волноводов мощных ультразвуковых излучателей продемонстрировали существенное увеличение их эрозионной стойкости за счет использования обечайки, что можно объяснить значительным
снижением физической активности кавитации в районе торцевой поверхности. Во всех дальнейших экспериментах применялись волноводы с обечайкой.
При изменении мощности излучателя от 2 до 5 кВт при одном и том же времени воздействия кавитационной зоны на индикатор (4 с) было выявлено существование максимума физической активности кавитации
А=
2.8 ⋅ 10 −5 кг/с (рассчитанного по максимальной площади разрушения индикатора), соответствующего
ф
уровню мощности ~3 кВт, а также минимума при мощности ~4 кВт. На рис. 11 показаны фотографии индикаторов, находившихся в кавитационной зоне в течение 4 с при различной потребляемой мощности — от 2 до 5
кВт. График изменения площади разрушения этих индикаторов ∆s в зависимости от потребляемой мощности
Рис. 11. Разрушение индикаторов в воде при различной потребляемой мощности
излучателя (время воздействия — 4 с)
656
ИФЖ. Том 87, № 3
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ ФОРМИРОВАНИЯ КАВИТАЦИОННЫХ ЗОН
Рис. 12. Зависимость площади разрушения индикаторов в воде от потребляемой мощности (время воздействия — 4 с)
представлен на рис. 12. Судя по форме разрушенной части индикаторов, увеличение потребляемой мощности
приводит к некоторому смещению кавитационной зоны в сторону волновода. Возможно, что это явление связано с понижением давления в области торца волновода под воздействием возрастающих гидродинамических
течений и увеличением количества долгоживущих пузырьков.
Физическая активность кавитации в различных средах. Процессы образования и схлопывания
кавитационных пузырьков в ультразвуковом поле определяются кинетикой фазового равновесия на границе жидкость–пар или жидкость–парогазовая смесь. Для однокомпонентных жидких сред к настоящему
времени разработано множество физико-математических моделей, позволяющих рассчитывать динамику
поведения одиночных кавитационных пузырьков под действием внешнего переменного давления. Подобных надежных моделей для расчета эволюции скоплений пузырьков в кавитационных зонах с высокой и
неравномерной активностью кавитации и учете сопутствующих гидродинамических течений среди известных публикаций обнаружить не удалось. Проблема теоретического анализа кавитационных процессов еще
более усложняется в случае использования многокомпонентных сред. В связи с этим представляется целесообразным проведение экспериментальных исследований и накопление базы данных с учетом особенностей формирования кавитационных зон в различных средах (однокомпонентных, бинарных, многокомпонентных). Ниже приводятся предварительные результаты экспериментов по определению физической
активности кавитации в воде с различными добавками, низкокипящих жидкостях и многокомпонентных
средах (смесях углеводородов).
Вода с различными добавками. Сравнительная физическая активность кавитации ( Aф ) воды с различными добавками определялась по отношению площадей разрушения индикаторов в воде с добавками
и без добавок при одинаковых условиях воздействия. Измерение площадей разрушения индикаторов осуществлялось по их изображениям в электронном виде при помощи программы T-Flex. Индикаторы подвергались кавитационному воздействию в воде с добавками нашатырного спирта (10 об.%), питьевой соды
(3 об.%), лимонной кислоты (1 об.%) при потребляемой мощности 2 кВт и времени воздействия 4 с. Как
показали результаты экспериментов, добавки могут оказывать определенное влияние на площадь и форму
разрушенного участка фольги. Наименее заметные изменения в характере разрушения индикаторов отмечены после добавления в воду лимонной кислоты (величина Aф = 1.1, разрушенные участки в том и другом
случае близки по форме). Площадь разрушения фольги после введения в воду питьевой соды практически
не изменилась, но форма разрушенного участка стала другой — ее размер вдоль оси волновода возрос примерно в два раза, а по ширине примерно в два раза уменьшился. Наиболее сильное влияние на физическую
активность кавитации ( Aф = 1.8) и геометрию кавитационной зоны оказало добавление к воде нашатырного спирта. На рис. 13 для сравнения приведены фотографии индикаторов, находившихся в кавитационной
зоне воды без добавок (а) и воды с нашатырным спиртом (б). По рисункам видно, что при введении в воду
нашатырного спирта заметно возрастает физическая активность кавитации в верхней области кавитационной зоны.
Представленные выше результаты экспериментов по формированию кавитационных зон в воде позволяют
сделать вывод о возможности управления этими процессами за счет регулирования гидродинамических течений вблизи волновода и введения в воду различных добавок.
ИФЖ. Том 87, № 3
657
Б. И. БАХТИН, А. И. ИВАШОВ, А. В. КУЗНЕЦОВ, А. С. СКОРОХОДОВ
Рис. 13. Разрушение индикаторов в воде без добавок (а) и в смеси с нашатырным
спиртом (б)
Низкокипящие среды. При проведенных ранее экспериментах по обработке гексана (температура кипения 69 оС при атмосферном давлении, вязкость при 20 оС — 0.0003 Па⋅с, плотность — 660 кг/м3) в мощных
ультразвуковых полях [10] было отмечено отсутствие следов деструктивных изменений гексана при значительной акустической активности кавитации [9]. В связи с этим представляло интерес определение сравнительной
физической активности и особенностей формирования кавитационной зоны в гексане. Кроме того, с этой же
целью проведены эксперименты со смесью гексана и толуола с соотношением по объему 87:13 (температура
кипения толуола 110.6 оС), а также с ацетоном (температура кипения 56 оС при атмосферном давлении, вязкость
при 20 оС — 0.003 Па⋅с, плотность — 790 кг/м3). Исходная температура сред составляла 23 оС.
Как показали эксперименты по воздействию кавитации на индикаторы при потребляемой мощности
до 2 кВт и времени до 30 с, следов заметного разрушения фольги во всех перечисленных средах отмечено не
было. Видеосъемка процессов, происходящих вблизи волновода в гексане, зафиксировала множество долгоживущих пузырьков, движущихся по траекториям, показанным на рис. 3. По количеству и размерам они заметно
превосходят пузырьки, образующиеся в воде при аналогичных условиях. С увеличением потребляемой мощности количество пузырьков возрастает и они могут создать газовую прослойку на торцевой поверхности волновода. В результате проведенных экспериментов можно сделать предварительный вывод о создании в этих средах
при наличии ультразвукового поля более благоприятных условий для образования кавитационных пузырьков,
чем для их схлопывания, что и объясняет низкую физическую активность кавитации при высокой акустической
активности (за счет пульсации пузырьков в акустическом поле). Выяснение закономерностей таких явлений
может быть предметом дальнейших исследований.
Многокомпонентные среды. В качестве многокомпонентных сред использовались смеси углеводородов — керосин, тяжелая нефть, мазут. Предварительные эксперименты показали, что физическая активность
кавитации в этих средах существенно ниже, чем в воде, что может быть связано с их более высокой средней и
начальной температурой кипения, а также вязкостью (нефть, мазут). В связи с этим дальнейшие сравнительные
испытания проводились при воздействии на индикаторы в течение 30 секунд при более высокой потребляемой
мощности (2 кВт). В качестве эталона принималась физическая активность воды при этих же условиях.
На индикаторах, размещаемых в мазуте (температура начала кипения — 200 оС, вязкость при температуре 30 оС — 3.1 Па⋅с, плотность — 970 кг/м3), после 30 секунд ультразвуковой обработки заметных повреждений обнаружено не было. Относительно небольшие по площади участки разрушений были отмечены при
проведении испытаний в керосине (диапазон температур кипения 150–250 оС, плотность 775 кг/м3, вязкость
при температуре 20 оС — 0.001 Па⋅с) — величина сравнительной физической активности кавитации составила
Aф = 0.05. По сравнению с керосином почти в два раза больше оказалась физическая активность кавитации
в нефти ( Aф = 0.09), несмотря на ее более высокую вязкость (температура начала кипения нефти 105 оС, вязкость при температуре 20 оС — 0.17 Па·с, плотность — 905 кг/м3). По результатам экспериментов можно сде-
658
ИФЖ. Том 87, № 3
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ ФОРМИРОВАНИЯ КАВИТАЦИОННЫХ ЗОН
лать предварительное заключение о существенном влиянии температуры начала кипения многокомпонентных
сред на физическую активность кавитации. Путем введения в эти среды различных добавок (даже в небольших
количествах) можно изменить температуру начала кипения и другие характеристики среды (вязкость, коэффициент поверхностного натяжения), от которых может зависеть активность кавитации. Для проверки такой возможности были проведены эксперименты по созданию кавитационных зон в нефти, содержащей добавки ацетона, метилтретамилового эфира, ортофосфорной кислоты, уксусной кислоты, диспергаторов (эмульгаторов)
"Телаз" и "Телаз-15". Эксперименты показали, что введение в нефть таких добавок, как уксусная кислота или
"Телаз-15" в количестве 1 об.% может привести к увеличению физической активности кавитации на 30–40%.
Оценка энергетических характеристик физических воздействий. Анализ характера повреждений индикаторов в кавитационной зоне позволяет предполагать, что основной механизм их разрушения связан с ударами кумулятивных струек, формируемых при несферическом схлопывании кавитационных пузырьков вблизи
индикатора [16]. Деформации фольги в результате этих ударов имеют форму купола с отверстием (пробоем) в
его вершине. На рис. 14 показана микрофотография участка поперечного сечения фольги с двумя куполами,
вершины которых направлены в разные стороны, и отверстиями в области вершин. Характерным является вытягивание фольги в районе купола со снижением ее толщины в зоне пробоя примерно в 1.5 раза. Для получения
фотографий фольга погружалась в твердеющий компаунд с последующим изготовлением среза (шлифа) в плоскости поперечного сечения фольги в зоне сквозных пробоев.
Характерные размеры отдельных отверстий в индикаторах лежат в диапазоне примерно от 40 до 700 мкм,
причем около 90% отверстий имеют размеры в пределах до 200 мкм. Наиболее мелкие отверстия принимают
форму овала или щелевидные (ломаные) очертания, которые могут возникать, в частности, при разрыве фольги
вдоль одной линии или по нескольким пересекающимся линиям.
Плотность мелких отверстий на единицу площади может достигать 5–10 на 1 мм2. Удары наиболее крупных струек приводят к отрыву от фольги ее мелких отдельных фрагментов, близких по форме к овалу или кругу.
Очевидно, что размер фрагментов определяется площадью действия максимальных давлений струек на поверхность фольги. Смыкание отверстий от таких повреждений формирует участок разрушения фольги.
Для дальнейших оценок энергетических характеристик удара струек по фольге примем следующее допущение: все кумулятивные струйки имеют цилиндрическую форму с диаметром d и длиной l = 10d . Согласно
результатам расчетно-экспериментальных исследований, приведенным в работе [16], скорость кумулятивных
струек может составлять ~100 м/с. Давление струйки при ударе по твердой поверхности в зоне оси струйки
может быть рассчитано по формуле [16]:
Р1 = ρ жс сv , (2)
где ρ жс — плотность жидкой среды, с — скорость звука в жидкости, v — скорость кумулятивной струйки. После начала удара передняя часть струйки растекается радиально по поверхности преграды со скоростью, превышающей скорость соударения. При этом давление на границе контакта растекающейся струйки с поверхностью
возрастает по мере удаления от оси, достигая максимального значения Р2 = 2.5Р1 на расстоянии, равном радиусу струйки (при скоростях соударения 50–100 м/с), а затем быстро снижается [17]. Принимая среднее давление
Рис. 14. Микрофотография поперечного сечения фольги с двумя отверстиями (δ = 150 мкм)
ИФЖ. Том 87, № 3
659
Б. И. БАХТИН, А. И. ИВАШОВ, А. В. КУЗНЕЦОВ, А. С. СКОРОХОДОВ
струйки на поверхность Рср = 2.0 Р1 на площади круга с диаметром, равным диаметру струйки, получим величину усилия, действующего на эту площадь:
2
F
= 0.5πР1d=
0.5πρ жс сvd 2 . (3)
Если воздействие струи на фольгу приводит к ее локальным разрывам с образованием отверстия, площадь
которого соизмерима с площадью поперечного сечения струи, то можно определить величину силы, требуемой
для осуществления таких разрывов:
Fр= L δσ в , (4)
где L — суммарная длина линейных разрывов фольги, σ в — временное сопротивление при разрыве фольги.
Сопоставляя зависимости для F и Fр , можно сделать вывод, что при заданной скорости кумулятивной
струйки существует ее минимальный диаметр (и соответствующий ему минимальный размер отверстия), который можно охарактеризовать диаметром круглого отверстия d min , если диаметр меньше, то пробой фольги не
происходит. Когда известен минимальный размер отверстия (диаметр d min и равный ему диаметр струйки d с ),
а также длина линий разрыва фольги, то можно определить скорость кумулятивной струйки в рамках принятых
допущений:
=
v 2L δσ в πρ жс сd min 2 . (5)
Изучение под микроскопом индикаторов, находившихся в кавитационном поле воды при потребляемой
мощности излучателя 3 кВт, показало, что минимальный диаметр отверстий фольги составляет ~40 мкм. Для
выявления связи характерной длины L с диаметром d min рассматривались мелкие отверстия преимущественно
овальной формы. В качестве примера на рис. 15 приведена микрофотография одного из таких отверстий. При
пробое отверстия произошел частичный отрыв фрагмента фольги вдоль линии контура отверстия с отгибанием
фрагмента по ходу движения кумулятивной струйки. Для этого отверстия — L ~ 2.5 d min . Близкие соотношения получены и для других мелких отверстий. С учетом этого зависимость (5) можно записать в виде:
=
v 4.5δσ в πρ жс сd min . (6)
с 1.5 ⋅ 103  м/с,
Принимая
=
δ 100
=
мкм 10 −4 м (с учетом вытягивания фольги), σ в =
108 Па, ρ жс =
103 кг/м3, =
d min= 40 мкм= 4 ⋅ 10 −5 м, получим значение скорости кумулятивной струйки v = 270 м/с. Это значение существенно больше указанной выше величины (~100 м/с), приведенной в работе [16] для условий схлопывания
кавитационных пузырьков под влиянием внешнего давления уровня 105 Па.
При проведении настоящих исследований амплитуда звукового давления была заметно больше (порядка
нескольких сотен кПа), что и могло привести к увеличению скорости кумулятивной струйки. Например, при
потребляемой мощности излучателя 3 кВт удельная акустическая мощность в воде составляет 25 Вт/см2, а максимальная расчетная амплитуда звукового давления Ра может достигать 8.5 ⋅ 105 Па.
Рис. 15. Микрофотография отверстия в индикаторе
(цена деления шкалы — 7 мкм)
660
ИФЖ. Том 87, № 3
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ ФОРМИРОВАНИЯ КАВИТАЦИОННЫХ ЗОН
Цилиндрическая струйка воды диаметром d с= d min= 4 ⋅ 10 −5 м и длиной 4 ⋅ 10 −4 м имеет массу
5 ⋅ 10 −10  кг и кинетическую энергию w=
1.8 ⋅ 10 −5 Дж (при скорости 270 м/с). Если считать, что энергия струйc
ки сопоставима с потенциальной энергией порождающего ее кавитационного пузырька wc ~ wр ~ РаVmax , где
Vmax — максимальный объем пузырька, то можно оценить его максимальный диаметр:
D=
(6wc πРa )1/3 . max
(7)
Принимая среднее значение амплитуды звукового давления Pa  =  4 ⋅ 105 Па, получим Dmax  =  2 ⋅ 10–4 м =
= 200 мкм. Как показано в работе [16], воздействие кумулятивных струек на поверхность проявляется в тех случаях, когда расстояние от центра кавитационного пузырька до поверхности не превышает 2.5Dmax . Таким образом, объем жидкой среды, физическая активность кавитации которого может приводить к образованию отверстий
в индикаторе или его разрушению, ограничен двумя слоями с толщиной по 2.5Dmax и площадью продольного
сечения кавитационной зоны (рис. 7, 10). Если известно изменение по времени плотности отверстий на единицу
площади индикатора, то можно приближенно определить объемную концентрацию физически активных (вызывающих пробои в фольге) кавитационных пузырьков. Проведенные оценки показывают, что объемная концентрация таких пузырьков с диаметром порядка 200 мкм может достигать величины 104 см −3 в области максимальной
активности кавитационной зоны. Потенциальная энергия этого количества частиц, реализуемая в течение одной
секунды, численно равна плотности мощности кавитационной зоны (на единицу объема).
Уравнение (6) позволяет рассчитать минимальную скорость vmin для более крупных струек, обеспечивающую пробой фольги. Для самых крупных струек (dc = d = 7 ⋅ 10–4 м) vmin ~ 15 м/с, кинетическая энергия —
3 ⋅ 10 −4 Дж, а максимальный диаметр кавитационного пузырька — 1150 мкм, что соответствует размерам
крупных пузырьков, наблюдавшихся при проведении экспериментов в зоне кавитации. Вероятно, что диапазон
размеров коллапсирующих в кавитационной зоне пузырьков, способных пробивать отверстия в фольге, лежит
в пределах 200–150 мкм. Если распределение размеров отверстий на единицу площади индикатора определено
экспериментально, то, применяя использованный выше метод, можно получить распределение размеров кавитационных пузырьков в единице объема и суммарную плотность мощности, выделяющуюся при их схлопывании. Согласно расчетным оценкам, порядок величины плотности мощности схлопывающихся кавитационных
пузырьков в области максимальной физической активности кавитационной зоны может достигать ~1 Вт/см3
при потребляемой мощности излучателя 3 кВт. Суммарная мощность коллапсирующих пузырьков в кавитационной зоне в соответствии с характером распределения их активности, представленным на рис. 10, составляет
~2.5 Вт. Электроакустический к.п.д. излучателя, использованного в настоящих исследованиях, равен 20%. Это
означает, что потенциальная мощность физической активности кавитации в объеме всей кавитационной зоны
не превышает 0.5% акустической мощности излучателя. Можно утверждать, что полученное значение данного
физико-акустического к.п.д не является оптимальным и существуют резервы для его значительного увеличения.
Обсуждение результатов исследований. Как показали результаты исследований, процессы возбуждения
и формирования кавитационных зон в жидких средах в условиях сильных ультразвуковых полей, создаваемых стержневым излучателем, существенно зависят от гидродинамических течений среды, генерируемых продольными вибрациями торцевой части волновода. Эти течения приводят к появлению потоков кавитационных
пузырьков, движущихся радиально вдоль поверхности торца стержня к его центру, а затем от торца вдоль оси
волновода. Разрушение индикаторов физической активности кавитации (полос алюминиевой фольги) начинается в узком (по высоте) участке вблизи торца. Это означает, что возбуждение кавитации и максимальная удельная
мощность ее физической активности проявляются, в первую очередь, не в области первой пучности звукового
давления излучаемой волны, а в области максимальных значений скорости колеблющегося слоя среды, непосредственно примыкающего к торцу волновода. Можно предполагать, что схлопывание (коллапс) кавитационных пузырьков в этой области происходит под воздействием пульсаций скоростного напора этого слоя среды
либо соударений с торцем. Предполагаемый механизм схлопывания пузырьков позволяет объяснить катастрофическое разрушение волноводов мощных ультразвуковых установок, наблюдавшееся в экспериментах [9].
Распределение физической активности и ее удельной мощности в объеме кавитационной зоны заметно изменилось при проведении экспериментов с использованием усовершенствованного волновода, вокруг торцевой
части которого была закреплена тонкостенная цилиндрическая обечайка, выступающая за плоскость торца. Назначение обечайки состояло в перестройке гидродинамических течений среды с ослаблением потоков пузырьИФЖ. Том 87, № 3
661
Б. И. БАХТИН, А. И. ИВАШОВ, А. В. КУЗНЕЦОВ, А. С. СКОРОХОДОВ
ков в области торца волновода. В результате, как и ожидалось, область возбуждения кавитации с максимальной
удельной мощностью физической активности заметно отодвинулась от поверхности торца, что привело к снижению эрозии волноводов.
Неожиданным оказался характер изменения физической активности кавитации в воде в зависимости от
потребляемой мощности излучателя. Увеличение потребляемой мощности ультразвуковой установки до 3 кВт
приводит к возрастанию физической активности кавитации, а после 3 кВт — к ее снижению. Вероятная причина
снижения физической активности при более высокой потребляемой мощности может быть связана с возрастанием концентрации кавитационных пузырьков, экранирующих ультразвуковое излучение. Аналогичная тенденция была отмечена ранее в характере изменения акустической активности кавитации [9, 10], однако максимум
акустической активности сдвинут в область более высоких значений потребляемой мощности (~4 кВт). Возможно, что этот сдвиг вызван влиянием на акустические шумы пульсирующих (несхлопывающихся) пузырьков, не оказывающих разрушающего воздействия на индикаторы физической активности. Как уже упоминалось
выше, акустическая активность кавитации в различных средах сильно возрастает при увеличении давления
сред до уровня 0.5–2.0 МПа. Можно предположить, что физическая активность кавитации также должна выходить на максимум при повышенном давлении среды.
Среди подвергавшихся ультразвуковой обработке сред с различными температурами кипения, как выше,
так и ниже температуры кипения воды (ацетон, гексан, смесь гексана с толуолом, вода, керосин, нефть, мазут),
2.8 ⋅ 10 −5 кг/с была зарегистрирована при экспериментах
наибольшая физическая активность кавитации А=
ф
с водой. Как следует из результатов экспериментов, на процессы разрушения фольги заметное влияние могут
оказывать добавки жидких веществ (1–10 об.%) в обрабатываемую среду.
Главную роль в разрушении индикаторов играют, судя по характеру повреждений фольги, удары кумулятивных струек схлопывающихся кавитационных пузырьков, находящихся вблизи индикатора. На основе экспериментальных данных о размерах и скоростях разрушения индикаторов, диаметрах образующихся отверстий
и их концентрации (на единице площади индикатора) были сделаны расчетные оценки скоростей и размеров
кумулятивных струек, их интегральной энергии в зоне кавитации, размеров и объемной концентрации схлопывающихся кавитационных пузырьков. Согласно результатам расчетных оценок, диаметры кавитационных
пузырьков, схлопывание которых приводит к разрушению индикаторов, лежат в пределах 200–1150 мкм, а скорости порождаемых ими кумулятивных струек соответствуют диапазону значений 270–15 м/с. Максимальная
объемная концентрация таких пузырьков может достигать 104 1/см3 , объемная удельная мощность физической
активности кавитации (в расчете на единицу объема кавитационной зоны) — 1 Вт/см3, физико-акустический
к.п.д ~0.5%.
Заключение. Результаты проведенных исследований дают основание утверждать, что при решении задачи
создания кавитационных зон с максимальной физической активностью кавитации имеются значительные неиспользуемые резервы, которые могут быть реализованы за счет комплексной оптимизации ряда определяющих
факторов и процессов (путем регулирования гидродинамических течений среды, введения в среду специальных добавок, выбора рационального давления среды, а также значения мощности ультразвукового излучения).
Увеличение физической активности кавитации позволит повысить эффективность различных технологических
процессов ультразвуковой обработки материалов и веществ.
Исследование было выполнено при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований в рамках проекта 10-08-01236-а.
Обозначения
Аф — физическая активность кавитации, кг/с; (Аф)мах — локальная физическая активность кавитации в области кавитационной зоны с максимальной активностью, кг/с; Аф — сравнительная физическая активность кавитации в различных
средах; Nф — мощность физической активности кавитации, кг/с; (Nф)уд — величина мощности, отнесенная к единице разрушенной площади индикатора, Вт/м2; N — потребляемая мощность, чВт.
Литература
1. Кэрлин Б. Ультразвук. Москва: ИЛ, 1950.
2. Бергман Л. Ультразвук и его применение в науке и технике. Москва: ИЛ, 1956.
3. Физическая акустика. Под ред. У. Мэзона. Т. 1. Методы и приборы ультразвуковых исследований. Москва: Мир,
1967.
4. Мощные ультразвуковые поля. Под ред. Л. Д. Розенберга. Москва: Наука, 1968.
662
ИФЖ. Том 87, № 3
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ ФОРМИРОВАНИЯ КАВИТАЦИОННЫХ ЗОН
5. Эльпинер И. Е. Ультразвук: Физико-химическое и биологическое действие. Москва: Физматгиз, 1963.
6. Маргулис М. А. Основы звукохимии. Москва: Высшая школа, 1984.
7. Маргулис М. А. Сонолюминесценция. Успехи физ. наук. 2000. Т. 170, № 3. С. 263–287.
8. Новицкий Б. Г. Применение акустических колебаний в химико-технологических процессах. Москва: Химия, 1983.
9. Бахтин Б. И., Десятов А. В., Кубышкин А. П., Скороходов А. С. Кавитационное катастрофическое разрушение
волноводов мощных ультразвуковых установок при повышенном давлении среды. Инженерно-физический журнал. 2008.
Т. 81, № 4. С. 690–695.
10. Бахтин Б. И., Десятов А. В., Корба О. И. Кубышкин А. П., Скороходов А. С. Низкотемпературный крекинг углеводородов в кавитационных ультразвуковых полях. Мир нефтепродуктов. 2009. № 6. С. 14–18.
11. Y. Matsumoto. Micro bubble and bubble cluster dynamics in ultrasound field. Proс. 16 th Int. Symp. on Nonlinear Acoustic
ISNA 16. Moscow Stat University, 2002, 19–23 August. Vol. 2. Pp. 963–970.
12. Бушманов Е. А., Великодный В. Ю., Воротилин В. П. Тимофеев И. Б., Яновский Ю. Г. Ван Ви Д. О возможности
улучшения характеристик активированного пористого топлива при использовании процессов ионизации в диэлектрическом
кавитаторе. Прикл. физика. 2003. № 5. С. 49–54.
13. Козлов В. Г. Экспериментальное исследование осредненной вибрационной динамики несжимаемой жидкости. Дис.
докт. физ.-мат. наук, Пермский гос. педагогический ун-т, 1997.
14. Moussatov A., Grenger C., and Dubus B. Characterization of cavitation field in ultrasonic reactor. Proс. 16 th Int. Symp. on
Nonlinear Acoustic ISNA 16. Moscow Stat University, 2002, 19–23 August. Vol. 2. Pp. 1023–1026.
15. Скоков В. Н., Коверда В. П., Решетников А. В., Виноградов А. В. Критическое поведение при кавитации жидкостей в ультразвуковом поле. Тез. докл. Четвертая Российская национальная конференция по теплообмену. 23–27 октября
2006. Москва, 2006.
16. Кувшинов Г. И., Прохоренко П. П. Акустическая кавитация у твердых поверхностей. Минск: Навука i тэхнiка,
1990.
17. Эрозия. Под редакцией К. Прис. Москва: Мир, 1982.
ИФЖ. Том 87, № 3
663
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа