Размещено на http://www.allbest.ru/

Стабилизация кавитационного кластера и усиление звукокапиллярного эффекта

Я. В. Малых, Г. Н. Санкин, В. С. Тесленко

Введение. В 30-70-х гг. XX в. интерес к кавитации был обусловлен решением во-просов борьбы с эрозией, очистки поверхностей от загрязнений и интенсификации физико-химических процессов [1]. В настоящее время актуальность исследований определяется применением кавитации в нанотехнологиях, синтезе новых веществ, новым способом пе-реработки труднообогатимых руд и исследованием возможности получения термоядерных нейтронов при сферическом схлопывании кавитационных полостей и кластеров.

Изучение сферически-симметричного схлопывания пузырьков и кластеров интересно также с точки зрения исследования возможностей получения высоких температур и дав-лений вплоть до термоядерных температур [2]. При этом существует проблема простран-ственной стабилизации и устойчивости одиночного пузырька или кластера, удержания его по центру сферического сосуда. Эта проблема может быть решена путем помещения жесткого стержня в пучность волны давления, в центр сферического пьезоэлектрического концентратора. В этом случае в жидкостях с повышенной вязкостью вблизи торца стержня или капилляра, помещенного в пучность ультразвуковой волны, образуется устойчивый квазисферический кластер со сферически-симметричной динамикой схлопывания, суще-ствующий сколь угодно долго. При этом высота подъема жидкости в капилляре или зву-кокапиллярное (ЗК) давление определяет величину воздействия пульсирующего кластера на твердую поверхность.

Аппаратура и методика эксперимента. На рис. 1 приведена схема эксперимен-та по изучению динамики ультразвукового (УЗ) кавитационного кластера и ЗК эффекта. Стоячая УЗ волна возбуждалась с помощью пьезоэлектрической сферы с резонансной ча-стотой 25 -г- 35 кГц. Сфера с отверстиями для наблюдения устанавливалась на подложке из вакуумной резины в стеклянный химический стакан, заполняемый различными жид-костями. С помощью координатного устройства в центре сферы в пучности давления УЗ волны определялось положение капилляра, которому соответствовала максимальная вы-сота подъема жидкости в капилляре Н_т = h + h_К (h -- высота подъема жидкости за счет ЗК эффекта; h_к = 4/d₁; -- поверхностное натяжение; d₁, d₂ -- внутренний и внеш-ний диаметры капилляра). В условиях кавитации на высоту подъема жидкости оказывает влияние поле давлений в жидкости, которое складывается из стоячей волны, создаваемой излучателем, и единичных импульсов давления, порождаемых пузырьками при их коле-баниях.

Работа выполнена в рамках Интеграционного проекта СО РАН № 123 при финансовой поддержке Рос-сийского фонда фундаментальных исследований (код проекта 03-02-17682) и гранта Германской службы академических обменов (DAAD) на приобретение научного оборудования.

эрозия очистка кавитация нанотехнология

Осциллограммы давления записывались цифровым осциллографом TDS 210 (Tektronix, 8 бит) на персональный компьютер. Свечение кавитационной области реги-стрировалось с помощью ФЭУ-35 (спектральный диапазон 300-f-600 нм, анодное сопротив-ление 75 Ом, напряжение питания 1,4 кВ). С использованием цифровой камеры (SensiCam Fast Shutter, PCO, Kelheim, Германия) киносъемка велась с экспозицией 1 мс, фотосъемка проводилась с ксеноновой лампой-вспышкой ИСШ-400 (длительность 1 мкс).

Результаты и обсуждение. На рис. 2,а показаны кластеры, возникающие в мало-вязкой жидкости вблизи центра сферы в отсутствие стержня. Они состоят из пузырьковых дорожек -- стримеров, направленных в пучность давления к центру сферы. Если в центре сферы находился стержень или капилляр, кластер принимал вид одной или нескольких ло-кализованных квазисферических областей, соединенных пузырьковыми «дорожками» друг с другом и с торцом капилляра, и по форме напоминал трубку курильщика (рис. 2,б). Та-кой кластер наблюдался нами в предварительно нагретой воде и существовал продолжительное время.

Рис. 2. Кавитационная область в центре сферического концентратора: а -- без капилляра (0,5 %-й раствор NaCI); б -- со стеклянным капилляром (d₁ = 0,6 мм, d₂ = 1,6 мм) в горячей воде; в -- со стеклянным стержнем (d₂ = 5 мм) в технической воде (T = 44 °С, f = 28,15 кГц)

Рис. 3. Форма кавитационной области вблизи торца капилляра ( d₁ =1,2 мм, d₂ =2,7 мм) в различных жидкостях (f = 28 кГц, U = 90 В): а, б -- спирт; в -- 50 %-й раствор глицерина; г -- вода

Конусообразная часть кластера заканчивалась устойчивым сферическим образованием. Источник пузырьков находился на поверхности твердого тела (в данном случае капилляра). Пузырьки с дорезонансными размерами движутся под действием двух сил: 1) за счет градиента давления в пучность волны; 2) за счет силы Бьеркнеса вслед-ствие взаимодействия между пузырьками и твердой стенкой. Сферическая часть кластера различной формы медленно дрейфует в пространстве, несмотря на то, что торец капилляра находится на одном и том же месте. Видимо, пучность давления, в которой стабилизирова-но положение кластера, может перемещаться за счет возникновения разных конфигураций кластеров и разного локального объемного газосодержания, а следовательно, за счет изме-нения в этой области скорости звука. Возможно влияние стоячих волн в сосуде на картину стоячих волн в сфере. Поэтому места расположения торца капилляра и пучности стоячей волны в принципе могут не совпадать. Наиболее компактный устойчивый кластер сфери-ческой формы получается тогда, когда места расположения торца капилляра и пучности давления совпадают (рис. 2,в). В этом случае действие обеих сил складывается, и при пульсации пузырьков в фазе они должны притягиваться друг к другу. По нашему мне-нию, в этом заключается один из механизмов пространственной стабилизации кластера.

На рис. 3 показана форма кавитационного кластера, возникшего вблизи торца капил-ляра в разных жидкостях при одинаковых параметрах УЗ поля. В отличие от раствора глицерина в воде и этиловом спирте кластеры имеют разные (в том числе полусфериче-ские) формы, но они менее устойчивы. В спирте часто наблюдалось образование не кла-стеров, а пульсирующих пузырей, больших диаметра капилляра. Поток жидкости внутри капилляра становился двухфазным, имеющим снарядную форму течения. Возникающие парогазовые пробки существенно затрудняли течение и снижали ЗК эффект (h < 2 см). При одинаковых параметрах УЗ поля высота подъема жидкости для раствора глицерина больше, чем для воды и спирта. Подобный результат был получен независимо другими исследователями (см. [3]) при измерении ЗК давления в разных жидкостях.

ЗК эффект зависит также от формы кавитационной области (кластера) и ее динамики. Наиболее устойчивый, локализованный полусферический пузырьковый кластер образовы-вался вблизи торца капилляра в растворе глицерина в центре сферы, в пучности стоячей волны. В случае раствора глицерина форма торца капилляра не влияла на форму класте-ра, который всегда имел полусферическую форму. В течение всего времени наблюдения наблюдался устойчивый ЗК эффект, жидкость непрерывно переливалась через край ка-пилляра (Н_т > 36 см, длина капилляра 36 см). В течение всего времени наблюдения сохранялась квазисферическая форма кластера. Это позволило сравнить данные фото-съемки при различных фазах волны. Данные фотосъемки приведены на рис. 4, 5. Видно,

Рис. 4. Вид кластера при различных фазах волны (период ультразвуковой волны 35 мкс; отсчет времени от максимума фазы разрежения; 50 %-й раствор глицерина; T = 38 °С; капилляр, d₁ = 0,9 мм)

Рис. 5. Вид кластера при различных фазах волны (отсчет времени от максимума фазы разрежения; период ультразвуковой волны 34,8 мкс; техническая вода; Т = 35,4 38,7 °С, h = 10,5 11,3 мм; капилляр из алюминия (d₁ = 1,4 мм, d₂ = 4 мм); ширина кадра 2,72 мм)

что период изменения радиуса пузырьков в кластере совпадает с периодом УЗ волны: кла-стеры в воде и растворе глицерина пульсируют с частотой УЗ поля, расширяясь в фазе разрежения и схлопываясь в фазе сжатия.

От скорости захлопывания пузырька зависит, в частности, интенсивность его свече-ния. На рис. 6 приведены данные по свечению кавитационной области -- кластера в виде стримеров -- в 50 %-м растворе глицерина (рис. 6, а) и воде (рис. 6,в), образующейся по центру сферического концентратора без капилляра, и с образованием устойчивого кла-стера сферической формы на торце капилляра в 50 %-м растворе глицерина (рис. 6,б). Данные просуммированы по 10 опытам для каждого варианта. Видно, что количество и интенсивность световых импульсов (что пропорционально количеству и интенсивности захлопывающихся пузырьков) существенно увеличиваются при образовании локализован-ного на торце капилляра сферического кластера.

Данные кино- и фотосъемки выявили различие форм и устойчивости кластеров, возни-кающих в пучности давления в различных жидкостях вблизи торца капилляра различной формы и без него.

Заключение. Анализ результатов эксперимента показал локализующее, стабилизи-рующее влияние помещенного в пучность стоячей волны твердого стержня (капилляра) на формирование пузырькового кластера. Наиболее устойчивый, локализованный полусфери-ческий пузырьковый кластер, пульсирующий с частотой ультразвукового поля, образуется на торце капилляра в пучности ультразвуковой волны в растворе глицерина.

Наблюдается корреляция между давлением в жидкости, ЗК эффектом и количеством и интенсивностью световых импульсов [4, 5]. Такая же связь звуколюминесценции и ЗК эффекта отмечается в [3, 6].

Рис. 6. Свечение кавитационной области в центре сферы (совмещено по 10 ос-циллограммам) : а -- кластер, состоящий из стримеров, в 50 %-м растворе глицерина; б-- сферический кластер на торце капилляра в 50 %-м растворе глицерина; в -- кластер, состоящий из стримеров, в воде

ЗК давление, высота подъема жидкости в капилляре и све-чение имеют максимальное значение в случае образования сферически-симметричного устойчивого кавитационного кластера на торце капилляра в растворе глицерина. При максимальном подъеме жидкости в капилляре мы наблюдали на его торце образование полусферических кластеров (но не одиночного пузырька). Пузырьки в кластере захлопы-ваются преимущественно синхронно, т. е. кооперативно. ЗК эффект усиливался в жидко-стях с повышенной вязкостью при формировании устойчивых сферических кластеров со сферически-симметричной динамикой захлопывания на торце капилляра, находящегося в пучности давления стоячей УЗ волны.

Явление усиления ЗК эффекта чрезвычайно важно для техники, так как лежит в осно-ве интенсификации многих важных технологических и химических процессов, связанных с очисткой, пропиткой, металлизацией пористых материалов и субмикронным дисперги-рованием твердых частиц.

Авторы выражают благодарность Л. И. Мальцеву за полезное обсуждение работы, а также В. М. Петрову и С. В. Суродину за помощь в подготовке экспериментов.

ЛИТЕРАТУРА

Эльпинер И. Е. Ультразвук. М.: Физматгиз, 1963.

Nigmatulin R. I., Akhatov I. Sh., Vakhitova N. К., et al. Mathematical modeling of a
single bubble and multibubble dynamics in a liquid // Proc. of the Intern, conf. on multiphase
systems. Ufa, 2000. P. 294-301.

Dezhkunov N. V., Francescutto A., Ciuti P., Ignatenko P. Ultrasonic capillary effect and
sonoluminescence // Proc. of the 5th World congress on ultrasonics (WCU 2003). Paris, 2003.
P. 597-600.

Malykh N. V., Petrov V. M., Sankin G. N. On sonocapillary effect // Proc. of the 5th
World congress on ultrasonics (WCU 2003). Paris, 2003. P. 1343-1346.

Малых Н. В., Петров В. М. О звукокапиллярном эффекте // Сб. тр. XIII сессии Рос.
акуст. о-ва. Физ. акустика. М.: ГЕОС, 2003. Т. 1. С. 40-43.

Н. В. Малых, Г. Н. Салюта, В. С. Тесленк

6. Dezhkunov N. V., Leighton Т. G. The use of a capillary as a sensor of cavitation // Nonlinear acoustics at the beginning of the 21st century / Ed. by O. V. Rudenko, O. A. Sapozhnikov. Moscow: MSU, 2002. V. 2. P. 1163-1166.

Размещено на Allbest.ru