VII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2015

Процесс распыления жидкостей в ультразвуковом (УЗ) фонтане впервые был опи­сан в 20-х годах двадцатого столетия американскими физиками Р.В. Вудом и А.Л. Лумисом [1,2,3]. Они обнаружили, что если из толщи воды к её поверх­ности направить высокоинтенсивную УЗ волну мегагерцового диапазона частот, то в месте выхода волны на поверхности жидкости наблюдается характерное явление – так называемый «ультразвуковой фонтан». При этом одновременно с фонтанированием жидкости в определенных усло­виях может происходить её распыление с образованием стойкого высоко­дисперсного аэрозоля в средней и верхней части фонтана.

Для генерирования «УЗ фонтана» могут использоваться как плоские, так и фокусирующие излучатели УЗ волны, причем процесс можно наблю­дать уже при небольших мощностях УЗ. Так, например, используя плоский излучатель малой мощности, на поверхности жидкости можно образовать «УЗ фонтан»,имеющий форму «вспучивания». При этом образование высо­кодисперсного аэрозоля может не наблюдаться. Дело в том, что распыление жидкости в «УЗ фонтане» возникает лишь в том случае, если мощность аку­стических колебаний превышает некоторое пороговое значение. До тех пор, пока мощность УЗ колебаний находится на уровне или незначительно пре­вышает пороговое значение, струя фонтана формируется в виде сферических капель-бусинок диаметром порядка 1,0 мм. Если при этом увеличивать час­тоту УЗ, размер капель-бусинок будет уменьшаться, и от мощности УЗ зави­сеть не будет.

Если использовать более мощную УЗ волну (например, при помощи фокусирующего излучателя), разбиение жидкости на капли-бусинки происходить практически не будет, а фонтан приобретет цилиндрическую форму с неровной поверхностью, причем диаметр струи будет определяться в большей степени мощностью УЗ, а не частотой. Так, например, при частоте 4 МГц можно получить струю фонтана диаметром 5 - 6 мм и более, но при низкой интенсивности УЗ и этой же частоте. Образуются бусинкообразная струя фонтана диаметром порядка 0,5 мм.

При мощности УЗ, значительно превышающей пороговую, то есть, ко­гда происходит стабильное аэрозолеобразование, кинетика распыления пред­ставляет собой следующую картину. Выделение аэрозоля из струи фонтана происходит непрерывно из отдельных многочисленных участков области распыления струи, расположение которых постоянно изменяется. Непрерыв­ное аэрозолеобразование с ростом мощности УЗ происходит постепенно, причем наряду с возрастанием частоты импульсов аэрозолеобразования уве­личивается и число взрывных выбросов аэрозоля, происходящих одновре­менно сразу в нескольких местах струи фонтана. Для практики представляет интерес аэрозолеобразование в режиме большой мощности, однако физиче­ский механизм этого явления удобно изучать вблизи его порога, когда аэрозолеобразование имеет настолько отчетливый импульсный характер, что его можно обнаружить даже невооруженным глазом.

Для объяснения механизма аэрозолеобразования, Зольнером предло­жена кавитационная гипотеза [1, 3] распыления жидкости акустиче­скими колебаниями, согласно которой, жидкость распыляется гидравличе­скими ударами, возникающими при захлопывании кавитационных пузырьков вблизи ее поверхности. Под кавитацией в жидкости понимают образование заполненных паром и газом полостей (или пузырьков) при локальном понижении давления в жидкости до давления насыщенных паров. При распространении в жидкости ультразвуковой волны даже сравнительно небольшой интенсивности возникает переменное звуковое давление, под действием ко­торого жидкость попеременно ис­пытывает сжатие и растяжение. Растягива­ющие усилия в области разрежения волны приводят к образованию в жидко­сти разрывов, т. е. мельчай­ших пузырьков, заполненных газом и паром дан­ной жидкости. Эти пу­зырьки называют кавитационными, а само яв­ление - УЗ кавитацией [5]. Известно, что при акустической кавитации основная механическая работа совершается ударными волнами, возникающими при захлопывании кавитационных пузырьков. Образование ударных волн происходитс частотой, равной частоте возбуждающих акустических колебаний.Распыление жидкости под действием образующихся таким образомпериодических ударных волн происходит так, что сравнительно крупные ка­пли-брызги образуются при встрече ударного фронта с границей раздела жидкость - газ. Именно так рассуждал Зольнер, предлагая кавитационную гипотезу акустического распыления жидкости [1].

В пользу кавитационной гипотезы также говорят результаты исследований [4] сонолюминесценции и распределения потока звуковой энер­гии в «УЗ фонтане». Под сонолюминесценцией понимается явление возник­новения вспышек света при схлопывании кавитационных пузырьков, возни­кающих в «УЗ фонтане» под действием мощных акустических колебаний. На графике (рисунок 1), полученном в результате радиометрических исследований, можно проследить, как изменяется энергия УЗ волны при ее движении от из­лучателя до вершины фонтана. Кривая графика условно разделена на уча­стки, которые соответствуют стадиям формирования фонтана и областям распыления. С точки «г» графика, соответствующей началу участка распыле­ния, наблюдается быстрое убывание потока звуковой энергии. Данная тен­денция сохраняется на всём участке распыления струи фонтана, вплоть до пересечения кривой с осью уровня жидкости. При этом максимум интенсивности выделения аэрозоля соответствует участку наиболее крутого спада кривой распределения.

Из наблюдений сонолюминесценции в «УЗ фонтане» выявлено [1], что с появлением струи, с поверхности которой происходит распыление жидкости, кавитационная область перемещается в струю. Сопоставляя кри­вые, полученные в результате серий радиометрических опытов,со снимками фонтана на предмет сонолюминесценции, выявлено, что местоположение нижних границ зоны свечения второго типа и области распыления струи, а также точки, с которой начинается быстрое убывание потока звуковой энер­гии в струе, приблизительно совпадают. На том участке струи, где нет кави­тации и нет распыления (между уровнями «в» и «г» рисунок 1), убывание по­тока звуковой энергии несущественно или практически отсутствует.

 

Рисунок 1 - Распределение потока звуковой энергии в «УЗ фонтане» [1]

 

Таким образом, эксперименты с сонолюминесценцией и исследованием распределения потока звуковой энергии в совокупности свидетельствуют о том, что распыление жидкости в«УЗ фонтане» может протекать только при условии образования кавитационной области в самой струе, а вся акустиче­ская энергия, вошедшая в струю фонтана, расходуется в основном в той об­ласти, где наблюдается кавитация и происходит распыление жидкости.

К аналогичному заключению привели эксперименты Гершензона и Экнадиосянца [6] с химической идентификацией наличия кавитации в «УЗ фонтане». Используя в качестве индикатораизвестную реакцию выделения йода из водного раствора йодистого калия,ученые обнаружили, что кавита­ция непременно сопутствовала процессу распыления. Зона кавитации была определена по разрушению натянутой полоски тонкой алюминиевой фольги, расположенной ребром к струе фонтана на различных расстояниях от невозмущенной поверхности жидкости. Максимальное разрушение фольги наблю­далось в области наиболее интенсивного выделения аэрозоля.

Другие ученые, Биза, Дирнагль, Эше [1,2,3], в результате тщательного исследования процесса УЗ распыления жидкости «в фонтане», предложили свою гипотезу механизма процесса - капиллярно-волновую. Согласно этой гипо­тезе, капли аэрозоля образуются из гребней стоячих капиллярных волн конечной амплитуды, которые возникают на поверхности струи фонтана. В соответствии с капиллярно-волновой гипотезой, образование капель аэрозоля генетически связано с возникновением на поверхности жидкости капиллярных или капиллярно-гравитационных волн. Механизм параметрического возбуждения последних, а также условия возникновения этих волн впервые были описаны Малюжинцом, который совместно с Сорокиным рас­смотрел возникновение волн на поверхности несжимаемой вязкой жидкости, заполняющей полупространство и совершающей вертикальные колебания по гармоническому закону.

Для возникновения капиллярно-гравитационных волнна поверхности жидкости, значение амплитуды возбуждающих колебаний должно достигать некоторого порогового значения А_п, определяемого выра­жением

(1)

где - декремент затухания, в общем случае определяемый концентра­цией поверхностно активных веществ [=f(Г, η, )]; - частота колеба­ний; (- длина капиллярной волны).

В соответствии с выражением (1), даже при незначительном превышении амплитуды (А) колебаний порогового значения А_п, амплитуда капил­лярно-гравитационных волн должна экспоненциально нарастать. В резуль­тате процесс заканчивается разрушением гребней вследствие неустойчиво­сти, с образованием капель жидкости.

В действительности аэрозолеобразование происходит при значительно больших амплитудах колебаний поверхности жидкости [1]. Так, в области УЗ частот (от 10 до 1500 кГц) капли начинают отделяться при А >mА_п (m= 4).

Эйзенменгер [1] провел аналогичное рассмотрение механизма параметрического возбуждения капилляр­ных волн и условий их возникновения, однако ученого интересовал исклю­чительно УЗ диапазон частот возбуждения. В этой связи он пренебрег влия­нием гравитации и рассмотрел механизм возбуждения исключительно капил­лярных волн на поверхности жидкости. Данное упрощение не отразилось на конечных результатах исследования, и Эйзенменгер получил такое же выражение для пороговой амплитуды возбуждения, что и Сорокин. При этом вы­ражение для нахождения длины капиллярных волн () на поверхности жидко­сти приобрело вид, который обычно используется в современных инженерных расчетах УЗ устройств

(2)

где σ - коэффициентповерхностногонатяженияжидкости, Н/м; ρ – плотность распыляемойжидкости, кг/м³; f–частотаУЗколебаний, порож­дающих волны, Гц.

Таким образом, в соответствии с капиллярно-волновой гипотезой установлено, что при распылении жидкости в «УЗ фонтане» капли аэрозоля обра­зуются из гребней стоячих капиллярных волн конечной амплитуды, возникающих на конической или цилиндрической поверхности фонтана. При этом кавитация рассматривается как сопутствующий и мешающий распылению эффект.

До некоторого времени капиллярно-волновая гипотеза распыления жидкости при подведении акустической энергии к зоне распыления через жидкость являлась общепринятой. Однако Иольман и Лирке предложили иную гипотезу, являющуюся, по их мнению компромиссом между кавитационной и капиллярно-волновой. Ученые предположили, что капли аэрозоля образуются из гребней капиллярных волн конечной амплитуды на поверхности микроскопических полусферических выступов, образованных пузырьками, находящимися вблизи поверхности струи фонтана. Здесь рассматривается поведение не кавитационных, а резонансных парогазовых пузырьков, находящихся вблизи поверхности распыляемой жидкости. По данному факту Экнадиосянц и Богуславский [7], отмечали, что аэрозоль может создаваться также с помощью резонансных парогазовых пузырьков, однако основная его масса образуется совсем иным способом.

В конечном итоге ученые приходят к выводу, что достаточно веских аргументов, однозначно исключающих или подтверждающих ту или иную гипотезу, нет, и процесс распыления в «УЗ фонтане» обусловлен совокупностью эффектов, вытекающих, как из капиллярно-волновой, так и из кавита­ционной гипотез. На основании этих заключений в шестидесятых годах про­шлого столетия Экнадиосянцем и Богуславским предложена обобщенная компромиссная гипотеза, объясняющая процесс распыления жидкостей в «УЗ фонтане» и учитывающая аспекты вышерассмотренных гипотез. Ученые предложили кавитационно-волновую гипотезу, согласно которой образова­ние высокодисперсного аэрозоля, характерного для акустического распыле­ния жидкости, происходит косвенным способом. Здесь говорится о том, что периодические гидравлические удары кавитационных пузырьков приводят к параметрическому возбуждению на поверхности жидкости стоячих капиллярных волн конечной амплитуды. Из гребней волн образуются капли аэро­золя, причем, таким образом, как это описывается в теории капиллярно-вол­новой гипотезы.

Благодаря развитию кавитационно-волновой гипотезы, становится объяснимым большое количество закономерностей и явлений, характерных для распыления жидкости в «УЗ фонтане». В том числе, объясняется существование порога распыления и зависимость его от различных физических усло­вий, объясняется также импульсный характер образования аэрозоля при на­пряжении излучателя, незначительно превышающем пороговое.

Кавитационно-волновая гипотеза утверждает, что распыление жидко­сти в «УЗ фонтане» зависит от развития как волновых, так и кавитационных явлений в жидкости. На интенсивность последних, в свою очередь, значи­тельное влияние оказывает наличие в распыляемой жидкости поверхностно-активных веществ. Внесение в жидкость поверхностно-активных веществ приводит не только к снижению величины ее поверхностного натяжения, но и к значительному возрастанию величины поверхностной вязкости [8], препятствующей образованию капиллярных волн на поверхности жидкости. Экспериментально [1,2,3,8] установлено, что внесение поверхностно-активного вещества в воду, фонтанирующую под действием УЗ, вызывает увеличение объема кавитационной области. При этом последняя опускается вниз по струе фонтана, в результате чего ослабляется образование капиллярных волн на ее поверхности под действием ударных волн кавитации. Наличие подоб­ных явлений в опытах с «чистой» жидкостью не наблюдается.

Подтверждая рассмотренный выше механизм распыления жидкости в «УЗ фонтане», Богуславский и Экнадиосянц [7] привели некоторыерасчетные оценки величин. Ученые определили величину амплитуды фронта ударной волны, распространяющейся в жидкости, воспользовавшись результатами исследования явления подводного взрыва, выполненного Р. Коулом на модели, представляющей взрыв как расширение сферы под действием за­полняющего ее газа. Расширение сферы сопровождается образованием удар­ной волны, которая характеризуется такими параметрами, как максимальное давление и время спада давления. Указанные параметры описываются при­ближеннымиформулами, которые могут быть использованы и для оценки амплитуды фронта ударной волны (), излучаемой кавитационным пузырь­ком. В соответствии с этим справедливо следующее выражение

(3)

где ρ – плотность распыляемойжидкости, кг/м³; c – скорость звука в жидкости, м/с; R – расстояние от центра взрыва до поверхности жидкости, м; - характерное время расширения кавитационного пузырька, с; – показа­тель адиабаты для воды; B–константа (3000 атм.); –минимальный ра­диус кавитационного пузырька при захлопывании, м; - максимальное давле­ние, развивающееся при захлопывании кавитационного пузырька, атм.

Выражение (3) применимо в случаях, когда >1. Минимальный радиус кавитационного пузырька () при захлопывании связан с его максимальным радиусом () cледующей зависимостью

(4)

где р = р₀ + р_з (р₀ и р_з – соответственно атмосферное и звуковое давле­ние); – показатель адиабаты для воздуха; р_н – давление насыщенного пара при данной температуре; приближенно определяется из выражения (5)

(5)

Величина максимального давления (), развивающегося при захлопывании кавитационного пузырька, может быть определена следующим обра­зом

(6)

Для того чтобы приближенно вычислить характерное время () расширения кавитационного пузырька, находят отношение радиуса пузырька в мо­мент, когда скорость его расширения максимальна, к самой скорости расширения

(7)

где е – основание натуральных логарифмов (2,718).

Исходя из условий R = 0,4 мм, р_з = 16 атм., f = 2 МГц, Богуславский и Экнадиосянц определили величину , которая приблизительно равна 1,8 атм. Зная величину , они нашли, что для данных условий амплитударадиального смещения поверхности при попадании на нее фронта ударнойволны приблизительно равна 14 мкм. При сравнении данного значения с пороговыми величинами амплитуды возбуждения капиллярных волн и амплитуды каплеобразования выявлено, что найденное значение оказалось прибли­зительно на порядок выше. Данный факт дает основание считать, что эффект взаимодействия такой ударной волны с поверхностью струи фонтана явля­ется достаточно «сильным», чтобы в соответствии с кавитационноволновой гипотезой на поверхности жидкости возникли стоячие капиллярные волны конечной амплитуды, являющиеся источником аэрозолеобразования.

Основные теоретические положения [1,…,7] были использованы при разработке энергосберегающих способов для интенсификации широкого спектра технологических процессов в АПК [8,…, 11].

Литература

1. Физика и техника мощного ультразвука. Том I. Источники мощного ультразвука / Под ред. Л.Д. Розенберга - М.: Наука, 1967. - 380 с.

2. Физика и техника мощного ультразвука. Том II. Мощные ультразвуковые поля / Под ред. Л.Д. Розенберга - М.: Наука, 1968. - 269 с.

3. Физика и техника мощного ультразвука. Том III. Физические основы ультразвуковой технологии / Под ред. Л.Д. Розенберга - М.: Наука, 1970. - 688 с.

4. Экнадиосянц О.К. О роли кавитации в процессе распыления жидкостей в ультразвуковом фонтане. - Акуст. ж., 14, вып. 1, 107, 1968.

5. Майер Е.В. Простые опыты с ультразвуком. - М.: Наука, 1978. - 160 с.: ил.

6. Гершензон Э. Л., Экнадиосянц О.К. О природе распыления жидкостей в ультразвуковом фонтане // Акуст. ж., 12, вьш. 3, 310, 1966.

7. Богуславский Ю.Я., Экнадиосянц О.К. О физическом механизме распыления жидкости акустическими колебаниями // Акуст. ж., 15, вып. 1, 17, 1969.

8. Беззубцева М.М., Тюпин С.В. Ультразвуковые технологии в овощехранилищах: монография, 2009. – СПб.: СПбГАУ. – 133 с.

9. Беззубцева М.М., Волков В.С. Энергоэффективный способ хранения картофеля // Международный журнал экспериментального образования. – 2012. №5, С.108-109.

10. Сапрыкин А.Е., Беззубцева М.М. Актуальность исследования ультразвукового метода флотационно-коагуляционный очистки сточных вод // Вестник студенческого научного общества. Научный вклад молодых исследователей в инновационное развитие АПК сборник научных трудов по материалам международной научно-практической конференции молодых ученых и студентов. - СПб.: СПбГАУ, 2014. - С. 12-15.

11. Беззубцева М.М., Сапрыкин А.Е., Пилюков И.Г. Интенсификация технологических процессов АПК ультразвуковой кавитацией // Успехи современного естествознания . - 2014. - №12. - С. 180.

Код для цитирования: Скопировать