УДК 664.6/7 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ОЦЕНКА

УДК 664.6/7
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ОЦЕНКА ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ
ЭРОЗИОННОЙ АКТИВНОСТИ КАВИТАЦИИ В ВОДЕ
Березовский Ю.М., Шпаков В.Ю., Андреев В.Н.
Московский государственный университет технологий и управления
имени К.Г. Разумовского
Аннотация.
Приведены
описание
и
результаты
экспериментального
исследования эрозионной активности ультразвука на алюминиевые экраны. Построены
графики усреднённого количества пузырьков по зонам озвучиваемой области.
Приведена связь эрозионной активности с количеством пузырьков.
Ключевые слова: эксперимент, ультразвук, эрозионная активность.
Abstract. The description and results of an experimental research of erosive activity of
ultrasound on aluminum screens are resulted. Schedules of average quantity of vials on zones
of sounded area are constructed. Communication of erosive activity with quantity of vials is
resulted.
Keywords: experiment, ultrasound, erosive activity.
Как известно, явление кавитации представляет собой локальный
разрыв сплошности жидкости при создании в ней определённой величины
разрежения.[1 – 3]. Разрыв, а затем схлопывание разрыва сопровождается
возникновением кавитационных пузырьков.
Не вдаваясь в детали зарождения кавитационных пузырьков, отметим,
что при своём «схлопывании» пузырьки оказывают определённое
энергетическое воздействие на среду, в которой они находятся. Ещё в
сороковых годах прошлого столетия американским учёным Кнэппом был
предложен метод оценки действия кавитационных пузырьков при помощи
тонкой оловянной или алюминиевой фольги [1]. При соприкосновении
пузырька с фольгой вследствие схлопывания последнего в фольге
образуются или отверстия или заметные углубления – воронки. Эта
методика позволяет в достаточной степени объективно оценивать
1
эрозионную возможность поля кавитационных пузырьков.
Эта особенность пузырьков в жидкости широко используется в
различных научных и инженерно-технологических целях. Одним из
удобных и управляемых методов формирования кавитационных пузырьков
является метод введения ультразвуковых колебаний в жидкость при
помощи твёрдотельного излучателя, задающего гармонические колебания
в жидкость [2].
Достаточно
хорошо
развитая
волновая
теория
ультразвука,
исторически восходящая к трудам Рэлея, служит основой для успешных
расчётов некоторых видов твердотельных излучателей [2 – 7]. Она
позволяет, например, указать наиболее активные участки излучателя
определённой формы [2].
Однако поведение кавитационных пузырьков как индивидуальных,
так и целых их ассоциаций до настоящего времени ещё находится в стадии
исследований [3, 4].
При разработке реакторов для ультразвуковой обработки жидких
пищевых сред, например с целью гомогенизации суспензии или эмульсии,
необходимо учитывать интенсивность и ультразвукового поля и величину
его затухания на определённом расстоянии от излучателя. В данном
эксперименте
исследовалось
ультразвуковое
поле,
создаваемое
цилиндрической поверхностью прямого цилиндрического излучателя, см.
схему рис. 1 как результат так называемых изгибных колебаний [5].
2
Рис. 1. Схема расположения УЗ излучателя и алюминиевого экрана:
1 – излучатель; 2 – алюминиевый экран; 3 – стакан; h – глубина погружения
стержневого излучателя в воду; h1 – расстояние до слоя, на уровне которого
производится счёт количества кавитационных пузырьков; a – расстояние от
поверхности излучателя до экрана
Использовалась лабораторная установка ИЛ-10-6/2.
Применяемая здесь методика известна по работам [2, 3]. Известно, что
кавитационные пузырьки, порождаемые УЗ колебаниями, при разрушении
выделяют достаточно высокую энергию, способную осуществлять эрозию
металлов. Примеры такой эрозии приведены [3]. В данном эксперименте
кавитационные пузырьки при контакте с фольговым экраном пробивают в
фольге отверстия, или производят воронки. Эти нарушения целостности
фольги будем называть для краткости «пробоинами».
В
эксперименте
ультразвукового
поля,
анализировались
создаваемого
эрозионные
боковой
возможности
цилиндрической
поверхностью излучателя. Для этого в стакане с водой вокруг излучателя в
зависимости от номера опыта на различных расстояниях устанавливались
алюминиевые
поверхности
экраны,
излучателя
представляющие
цилиндрические
собой
эквидистантные
поверхности.
Озвучивание
(обработка ультразвуком) осуществлялась в разных опытах с различной
экспозицией.
В
результате
озвучивания
на
поверхности
появлялись так называемые «пробоины», см. рис. 2, 3.
3
экранов
Рис. 2. Образец экрана из алюминиевой фольги после озвучивания с экспозицией
20 с на расстоянии от излучателя 30 мм
Рис. 3. Образец экрана из алюминиевой фольги после озвучивания с экспозицией
20 с на расстоянии от излучателя 150 мм
При соответствующем увеличении изображений по известным
методикам проводился обсчёт средней плотности распределения пробоин.
Результаты расчётов приведены в протоколе табл. 1.
Визуальный
неоднородности
анализ
позволяет
распределения
сделать
пробоин.
вывод
Причём
о
большой
наблюдается
определённая стабильность в группировании пузырьков в определённых
областях экрана.
Очевидно уменьшение количества пузырьков по мере удаления от
поверхности излучателя.
4
Таблица 1
№
опыта
α,
мм
1
30
2
45
3
60
4
75
5
150
6
250
7
320
t, время экспозиции, с
5
23
50
104
114
32
12
52
51
49
17
1
24
116
26
35
22
49
37
24
12
2
30
40
21
10
34
32
26
25
4
5
21
38
38
2
Сред
323
181
202
144
103
121
104
10
129
126
135
110
31
76
196
62
124
40
34
58
46
44
31
29
61
55
55
54
27
26
21
33
14
8
24
38
24
4
16
10
37
20
9
Сред
531
498
213
254
121
98
102
5
15
115
184
202
125
78
140
230
126
112
60
24
48
44
42
11
40
48
36
155
36
10
47
41
27
26
15
11
30
34
8
25
32
50
24
4
Сред
704
668
169
315
151
98
135
20
110
172
304
222
40
81
74
60
52
40
24
56
44
31
110
72
86
32
40
24
8
17
30
44
41
16
16
25
26
11
1
8
20
16
6
Сред
848
308
265
254
140
94
51
h1,
мм
5
20
40
60
80
5
20
40
60
80
5
20
40
60
80
5
20
40
60
80
5
20
40
60
80
5
20
40
60
80
5
20
40
60
80
Количество пробоин в экране по измерениям в среднем на площади
2х20х20 мм2.
При частоте УЗ 22 750, диаметре стержня-излучателя 30 мм, глубине
погружения стержня – излучателя – 120 мм и глубине ванны – 250 мм.
По результатам расчёта среднего количества пробоин по колонке 5 с,
причём по оси ординат отложено количество пробоин, приходящееся на
одну секунду, т.е. путём деления на 5 значения N приведенного в колонке.
Построен график изменения количества пробоин на указанной выше
площади, см. рис. 4.
График может быть представлен гиперболической зависимостью
N = b·a-d + q,
(1)
где b и c константы, в данном случае b = 0,05, d = 2, q = 20.
Рис. 4. График изменения количества пробоин в фольговом экране по мере
удаления от поверхности стержневого излучателя (по данным табл. 1 для средних
значений по измерениям в течение 5 с)
6
Рис. 5. Схема размещения фольги радиально к излучателю
Рис. 6. Распределение кавитационных пробоин в фольге, расположенной по
радиусу от излучателя, см. схему рис. 5
По графику рис. 4 не трудно видеть, что усреднённое по ширине
экрана количество пробоин уменьшается при удалении от излучателя
примерно с гиперболической зависимостью от расстояния до излучателя
(1).
7
Рис. 7. График распределения количества пробоин на радиально расположенном
экране по мере удаления от поверхности излучателя после 1 – 10 мин; 2 – 15 мин;
20 мин излучения
Отличие графиков на рис. 4 и 7, отражающих распределение пробоин
на экранах, расположенных по окружности (рис. 4) и радиально (рис. 7),
имеет
своим
объяснением
совокупность
факторов,
влияющих
на
возникновение и движение кавитационных пузырьков в объёме жидкости,
подвергнутой ультразвуковому излучению (озвучиванию). Таковыми
факторами являются:
1 – акустический ветер – явление, отмечаемое многими испытателями:
[2 – 4];
2 – силы Бьёркнеса [3, 4, 6, 8];
3 – сила Стокса, обусловленная вязким сопротивлением движению
пузырька со стороны жидкости [2].
Характер графиков на рис. 7 позволяет предположить, что пробоины
на
радиально
распложенном
экране
образованы
интерференции волн ультразвука в объёме ванны [9].
8
в
результате
Рис. 8. График, аппроксимирующий эмпирическую зависимость 3 рис. 7
Аналогично могут быть смоделированы и графики 1 и 2. Здесь
приходится считать скорость звука несколько меньшей, чем часто принято
считать, т.е. вместо 1500 м/с принимаем с = 1140 м/с.
Выводы.
Полученные экспериментальные данные по определению количества
пробоин в исследуемом экранируемом фольгой объёме позволяют с
определённой
степенью
точности
характеризовать
энергетику
кавитационных пузырьков, порождённых в этом объёме. Согласно [2], в
первом приближении работа кавитационных пузырьков рассчитывается по
следующей формуле:
AE 
4
 R m3 ax P N ,
3
(2)
где АE – работа произведённая кавитационными пузырьками при
схлопывании, Вт·с; Rmax – максимальный размер пузырька, достигаемый в
процессе его колебаний вокруг равновесного состояния, принимаем по
максимуму 100 мкм; Р – давление в пузырьке при его схлопывании, можно
принять равным 105 Па; N – количество пузырьков в объёме, в котором
зафиксировано их присутствие в определённой концентрации, шт.
Таким образом, все приведённые выше данные могут стать
эрозионной характеристикой производимого стержневым излучателем
ультразвукового поля.
9
Список литературы
1. Кнэпп Р. Дейли Дж., Хэммит Ф. Кавитация. – М.: Мир, 1974. –
688 с.
2. Хмелёв В.Н., Леонов Г.В., Барсуков С.Н., Цыганок С.Н., Шалунов
А.В. Ультразвуковые многофункциональные и специальные аппараты для
интенсификации технологических процессов в промышленности, сельском
и домашнем хозяйстве, 2007. – 400 с.
3. Шутилов В.А. Основы физики ультразвука. – Л.: Ленинградский
университет, 1980. – 280 с.
4. Сиротюк М.Г. Экспериментальные исследования ультразвуковой
кавитации. В кн. «Мощные ультразвуковые поля» / Под ред. Л.Д.
Розенберга. – М.:, 1968. Ч. 4. – С. 167 – 220.
5. Шестаков
С.
Многопузырьковая
акустическая
кавитация:
математическая модель и физическое подобие. Электронный журнал
«Техническая акустика». – Режим доступа: http://www.ejta.org. 2010, 14.
6. Маленькая энциклопедия. Ультразвук / Гл. редактор И.П.
Голямина. – М.: Советская энциклопедия, 1979.– 400 с.
7. Бергман Людвиг. Ультразвук и его применение в науке и технике.
Перев. с нем. Под ред. В.С. Григорьева и Л.Д. Розенберга. – М.: Иностр.
литература, 1957. – 726 с.
8. Маргулис М. А. Звукохимические реакции и сонолюминисценция.
– М.: Химия, 1986. – 288 с.
9. Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики. – М.: Высшая школа,
2000. – 718 с.
10