X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

Акустическая волна - явление механическое, однако поведение ее отлично от движения материальных тел. Действительно, обычные в механике тел понятия «координаты», «траектория», «ускорение» неприменимы к волне, хотя они остаются полностью в силе для каждой частицы среды, в которой бежит волна. Поэтому о волне говорят, что она «распространяется», понимая под этим всю картину изменения возмущенного состояния среды с течением времени. Таким образом необходимо различать два различных явления: движение частиц среды в волне и распространение самой упругой волны в среде.

Смещения и скорость частиц зависят от силы акустического возмущения и определяют интенсивность энергии в акустической волне. Эти смещения, как правило, очень малы и после прохождения волны частицы практически возвращаются в исходное положение.

Кратковременное механическое воздействие, при котором сила, давление, скорость и другие физические величины приобретают конечные скачкообразные изменения, называют ударом. Часто в различных конкретных задачах используют родственные термины: ударное нагружение, соударение, столкновение, толчок и т. д.

Наиболее характерной особенностью удара является импульсный (нестационарный) характер подвода энергии. При переходе к системам с распределенными параметрами импульсное воздействие приводит к возникновению в среде волновых явлений: акустических импульсов, ударных волн. Анализ импульсных волновых явлений и ударных волн в воде при давлении может проводиться в линейном приближении, т.е. с использованием аппарата линейных гиперболических уравнений в частных производных. В общем же случае анализ ударных волн относится к классу нелинейных волновых явлений акустики и газодинамики и требует специального рассмотрения. В последнее время для этих целей используют представления волн в виде солитонов. В ударной волне имеется область сильно сжатого газа или жидкости, которая перемещается в пространстве с большой (для газов со сверхзвуковой) скоростью. Эпюра ударной волны имеет области положительных и отрицательных давлений (зоны сжатия и разрежения). Фронт ударной волны представляет собой поверхность разрыва, на которой скачком изменяются давление, плотность, температура и нормальная составляющая вектора скорости потока жидкости.

В акустическом поле источником ударных волн являются кавитационные пузырьки. При захлопывании кавитационного пузырька вследствие внезапной остановки всей массы жидкости, участвующей в движении, в точке схлопывания нарастает давление и генерируется импульс давления, распространяющийся в жидкости.

Несмотря на быстрое снижение давления в ударной волне при её удалении от места возникновения, на расстоянии начального радиуса пузырька она еще достаточно мощная и может вызвать разрушение практически любого материала.

Исследования ударных волн в пузырьковых средах показали, что ударные волны имеют пульсационную структуру; с увеличением давления ударной волны амплитуда пульсаций возрастает. Скорость ударных волн уменьшается с повышением концентрации газовой фазы пузырьковой среды и возрастает при увеличении амплитуды падающей ударной волны. Влияние физических свойств газов, содержащихся в пузырьках, и свойств жидкостей (помимо скорости звука) на скорость распространения ударных волн незначительно.

При взаимодействии с твердой преградой ударная волна трансформируется — образуется отраженная ударная волна. Скорость и давление отраженной ударной волны определяются параметрами пузырьковых сред и зависят от давления падающей ударной волны: скорость распространения отраженной волны возрастает при повышении давления падающей волны и уменьшается при увеличении концентрации газовой фазы среды; давление отраженной волны возрастает при повышении амплитуды падающей волны и при увеличении концентрации газовой фазы пузырьковой среды.

Результаты расчета скорости распространения падающих ударных волн в пузырьковых средах согласуются с экспериментальными данными. Для отраженных ударных волн имеется совпадение опытных и расчетных данных при использовании экспериментально установленных отношений давлений отраженной и падающей ударных волн.

Ударные волны можно применять для интенсификации механических и гидромеханических процессов. Так как в этих процессах происходят механические перемещения, разделения и соединения твердых и жидких фаз и другие процессы, основными факторами являются силовые воздействия - акустические и, при наличии избирательных электрофизических свойств, электромагнитные.

При выборе типа воздействия из определенного класса, например акустического, необходимо учитывать конкретные свойства исходных материалов и конечных продуктов процесса (структурно-механических, акустических, реологических и др.) В общем случае могут быть использованы частотные критерии и временные зависимости. Для некоторых процессов (диспергирование фаз) спектральные характеристики воздействия предопределяют вид кривой распределения дисперсной фазы.

В системах со сложной колебательной структурой (пористые тела, псевдоожиженный слой) возможно возбуждение резонансов отдельных элементов. В ряде случаев существенный эффект достигается при временной или пространственной локализации энергии. Выбор подобных воздействий может быть проведен как со спектральным, так и по переходным (временным) характеристикам. Избирательные электрофизические свойства различных смесей и композиций (диэлектрические и магнитные) могут послужить основой для выбора вида электромагнитного воздействия при ускорении процессов типа разделения. В отдельных процессах эффект может достигаться при определенном сочетании воздействий. Эффективность различных технологических процессов, например фильтрации и коагуляции, приобрела в последние годы большое значение не только как операций извлечения целевых продуктов, но и вследствие остроты экологических проблем. Физические методы дают надежду выхода из тупиковых на сегодняшний день ситуаций. Многообразие систем, процессов и воздействий не позволяет, правда, дать общего рецепта, и приводимые ниже примеры не исчерпывают, а лишь иллюстрируют некоторые характерные варианты.

Измельчение твёрдых тел может происходить в результате воздействия на них ударных волн в жидкости (электрогидравлический эффект) и ультразвуковой кавитации, а также при использовании твердых магнитных тел, возбуждаемых переменными магнитными полями. Принципиально можно дробить твердые тела, создавая термические напряжения пучками электромагнитного излучения СВЧ диапазона или лазерным лучом.

Механическое действие электрического разряда в воде было обнаружено ещё в 1767-1769 гг. Г.Лейном и Дж. Пристли. Г. Бредиг в 1898 г. и Сведберг в 1904 г. получили с помощью дугового разряда в растворах гидрозоли ряда металлов. Б.Р. Лазаренко и Н.И. Лазаренко в 1944 г. на основе исследования электрофизических явлений, связанных с электрической эрозией контактов, предложили новый способ обработки металлов. Дробление с использованием электрической эрозии методом взрывающихся проволочек представляет в настоящее время самостоятельный интерес в связи с получением ультрадисперсных порошков. Дробление при помощи высоковольтного импульсного разряда в жидкости - электрогидравлического эффекта — было предложено Л.А. Юткиным в 1950 г.

Интенсификации процессов отстаивания в акустическом поле способствуют в основном флотрация, ударные волны, и знакопеременные течения вблизи пульсирующих кавитационных и газовых пузырьков.

В промышленности для кавитационного воздействия на жидкость используются гидродинамические, электродинамические, пьезоэлектрические, магнитострикционные и механические генераторы кавитации.

В ультразвуковом диапазоне наиболее распространены пьезоэлектрические и магнитострикционные генераторы кавитации. В этих электроакустических преобразователях используется прямой магнитострикционный и пьезоэлектрический эффект в переменных магнитных и электрических полях. Диапазон частот возбуждения преобразователей является очень широким (от 8 до 44 кГц и выше).

Ультразвуковые колебания от преобразователя передаются к обрабатываемым веществам через специальные трансформирующие и согласующие устройства (концентраторы, пластины и др.), заканчивающиеся излучающей поверхностью. Принцип действия импульсного электроразрядного излучателя основан на электрогидравлическом эффекте, заключающемся в генерации ударных волн в жидкости при ее пробое. Протекание электрического разряда в жидкости (электрогидравлического удара) вызывает сложный комплекс явлений: ионизацию и разложение молекул в плазме канала и возле него, световое излучение канала разряда, ударные волны, интенсивное ультразвуковое излучение, образование и пульсацию газового пузыря, кавитационные процессы, импульсные магнитные поля.

В гидродинамических кавитаторах типа роторных импульсных аппаратов, в основном, реализуется гидродинамическое и акустическое воздействие в жидкости за счет развитой турбулентности, пульсаций давления и скорости потока жидкости, интенсивной кавитации, ударных волн и вторичных нелинейных акустических эффектов. При вращении ротора, его каналы периодически совмещаются с каналами статора. Скорость потока жидкости в канале статора является переменной величиной. При распространении в канале статора импульса избыточного давления, вслед за ним возникает кратковременный импульс пониженного давления, инерционные силы создают растягивающие напряжения в жидкости, что вызывает кавитацию.

В резонансных гидродинамических генераторах используется возбуждение колебаний резонирующих элементов в виде пластин, стержней или мембран набегающей струей жидкости. Колебания резонирующих элементов создают акустическое поле излучателя. Наиболее распространенной модификацией таких излучателей являются пластинчатые излучатели с консольным или двухточечным креплением вибрирующей пластины. Струя, вытекающая с большой скоростью из конусно-цилиндрического или щелевого сопла, попадает на пластину с клиновидным краем. При этом происходит срыв струи, и возникают вихревые пульсации и кавитация.

Аналогичный принцип превращения кинетической энергии струи в энергию акустических колебаний используют в многостержневых гидродинамических излучателях. Струя круглого сечения, вытекающая из сопла, ударяется в лункообразный отражатель и веерообразно расходится, попадая на заостренные выступы стержней, закрепленных по цилиндрической образующей параллельно оси сопла. Происходит возбуждение колебаний стержней, которые создают в окружающей среде достаточно мощное звуковое поле. При использовании конусно-цилиндрического сопла и отражателя с лункой, близкой по форме к параболоиду вращения между торцами сопла и отражателя, формируется пульсирующая кавитационная область, определяющая параметры образующегося акустического поля.

Суперкавитирующие гидродинамические устройства по принципу работы разделяются на: динамические – с вращающимися рабочими органами, в основном лопастными; статические – с неподвижными рабочими органами; струйные – со струйными кавитаторами; комбинированные – состоящие из различных комбинаций первых трех типов. Рабочие органы таких аппаратов устанавливаются в специально спрофилированных проточных участках (например, труба Вентури).

Сочетание кавитационных генераторов различного типа может усилить эффект кавитации. Благоприятно сказывается генерирование колебаний с разными частотами, отличающимися друг от друга на порядок и выше . Это обусловлено тем, что для возбуждения зародыша кавитации определенного радиуса необходимо генерировать колебания на определенной частоте. Чем меньше размеры зародышей кавитации, тем выше должна быть частота и тем больше должно быть акустическое давление, вызывающее кавитацию.

Если генераторы кавитации работают на различных частотах, и прохождение жидкости через них осуществляется последовательно, то жидкость должна сначала проходить через генератор с большей частотой, а затем через генератор с меньшей частотой. В генераторе с высокой частотой возбуждаются зародыши кавитации наименьшего размера, которые быстро увеличиваются. Эти кавитационные пузырьки служат зародышами кавитации в генераторе с низкой частотой и увеличиваются в размере еще больше, что приводит к увеличению импульсов кавитационного давления.

При разрушении кварца под действием ударной волны, вызванной электрическим взрывом, образуется плазменная струя. Анализ спектра люминесценции показал, что она состоит из атомов и катионов элементов, которые входят в состав кварца и примесей в нем.

Кавитация, образование газовых пузырьков в жидкости. Термин был введен в 1894 году британским инженером Р.Фрудом. Если давление в какой-либо точке жидкости становится равным давлению насыщенного пара этой жидкости, то жидкость в этом месте испаряется и образуется паровой пузырек. Примером может служить кипение воды. При нагревании воды давление ее насыщенного пара повышается. Когда достигается температура кипения, давление пара становится равным давлению окружающей среды, и в воде появляются паровые пузырьки. Паровые пузырьки в жидкости легче образуются при пониженном давлении. Когда же давление окружающей среды становится больше давления насыщенного пара жидкости, кавитационный пузырек с силой схлопывается. Такое схлопывание пузырьков создает шум, вызывает вибрацию и повреждения конструкций, неблагоприятно отражается на работе соответствующих машин и механизмов. Местное понижение давления в жидкости происходит при быстром относительном движении тела и жидкости.

Одним их эффективных методов интенсификации химико-технологических процессов (ХТП) в жидкостях является кавитационное воздействие на обрабатываемую среду. Кавитация представляет собой средство локальной концентрации энергии низкой плотности в высокую плотность энергии, связанную с пульсациями и захлопыванием кавитационных пузырьков. В фазе разрежения акустической волны или за счет местного понижения давления при обтекании твердого тела, в жидкости образуются каверны (кавитационные пузырьки), которые заполняются насыщенным паром данной жидкости. В фазе сжатия под действием повышенного давления и сил поверхностного натяжения каверна захлопывается, а пар конденсируется на границе раздела фаз. Через стены каверны в нее диффундирует растворенный в жидкости газ, который затем подвергается сильному адиабатическому сжатию.

Переход от акустических колебаний с малой амплитудой к колебаниям с большой амплитудой, при которых сплошность жидкости разрывается, и в ней возникают кавитационные пузырьки, обусловлен качественным изменением колебательного процесса в жидкости. Эти изменения связаны с тем, что наличие кавитационных пузырьков изменяет свойства среды, и ее характеристики становятся нелинейными. Кроме того, при развитой кавитации происходит процесс периодического распространения гидродинамического разрыва в виде фронта волны сверхсхлопывающихся пузырьков.

В момент схлопывания кавитационной каверны, давление и температура газа локально могут достичь значительных величин (по расчетным данным до 100 МПа и до 10000 К соответственно). После схлопывания каверны в окружающей жидкости распространяется сферическая ударная волна, быстро затухающая в пространстве. При генерировании импульсных растягивающих напряжений в жидкости, присутствующие в ней зародыши кавитации начинают расти, образуя кавитационный кластер, форма и размеры которого определяются начальным спектром размеров кавитационных зародышей, характером прикладываемого напряжения и граничными условиями.

В кавитационную каверну могут проникать пары жидкости, растворенные газы, а также вещества с высокой упругостью пара и не могут проникать ионы или молекулы нелетучих растворенных веществ. Выделяющейся в процессе схлопывания каверны энергии достаточно для возбуждения, ионизации и диссоциации молекул воды, газов и веществ с высокой упругостью пара внутри кавитационной каверны.

Эрозия твердого тела (разрушение поверхности), очистка поверхностей, диспергирование твердых частиц, растворение, экстрагирование, эмульгирование гомогенизация, пенообразование осуществляются, в основном, за счет двух характерных проявлений кавитации: ударных волн и кумулятивных струек, образующихся при схлопывании кавитационных пузырьков.

Кумулятивные струйки разрушают поверхностные слои и поверхность твердого тела за счет кинетической энергии жидкости. Мелкие частицы твердого тела, размеры которых соизмеримы с поперечным сечением кумулятивных струй, увлекаются ими и дают дополнительный вклад в процесс разрушения поверхностных слоев и самих твердых частиц, находящихся в жидкости.

Химическая агрессивность газов в пузырьках, имеющих к тому же высокую температуру, вызывает эрозию материалов, с которыми соприкасается жидкость, в которой развивается кавитация. Эта эрозия и составляет один из факторов вредного воздействия кавитации. Второй фактор обусловлен большими забросами давления, возникающими при схлопывании пузырьков и воздействующими на поверхности указанных материалов.

Поэтому кавитация во многих случаях нежелательна. Например, она вызывает разрушение гребных винтов судов, рабочих органов насосов, гидротурбин и т. п., кавитация вызывает шум, вибрации и снижение эффективности работы.

Когда схлопываются кавитационные пузыри, энергия жидкости сосредотачивается в очень небольших объемах. Тем самым, образуются места повышенной температуры и возникают ударные волны, которые являются источниками шума. Шум, создаваемый кавитацией, является особой проблемой на подводных лодках (субмаринах), так как из-за шума их могут обнаружить. При разрушении каверн освобождается много энергии, что может вызвать повреждения. Эксперименты показали, что вредному, разрушительному воздействию кавитации подвергаются даже химически инертные к кислороду вещества (золото, стекло и др.), хотя и намного более медленному. Это доказывает, что помимо фактора химической агрессивности газов, находящихся в пузырьках, важным является также фактор забросов давления, возникающих при схлопывании пузырьков. Кавитация ведёт к большому износу рабочих органов и может значительно сократить срок службы винта и насоса. В метрологии, при использовании ультразвуковых расходомеров, кавитационные пузыри модулируют волны, излучаемые расходомером, что приводит к искажению его показаний.

Хотя кавитация нежелательна во многих случаях, есть исключения. Например, сверхкавитационные торпеды, используемые военными, обволакиваются в большие кавитационные пузыри. Существенно уменьшая контакт с водой, эти торпеды могут передвигаться значительно быстрее, чем обыкновенные торпеды. Так сверхкавитационная торпеда “Шквал”, в зависимости от плотности водной среды, развивает скорость до 500 км/ч. Кавитация используется при ультразвуковой очистке поверхностей твёрдых тел. Специальные устройства создают кавитацию, используя звуковые волны в жидкости. Кавитационные пузыри, схлопываясь, порождают ударные волны, которые разрушают частицы загрязнений или отделяют их от поверхности. Таким образом, снижается потребность в опасных и вредных для здоровья чистящих веществах во многих промышленных и коммерческих процессах, где требуется очистка как этап производства.

В промышленности кавитация часто используется для гомогенизации (смешивания) и отсадки взвешенных частиц в коллоидном жидкостном составе, например, смеси красок или молоке. Многие промышленные смесители основаны на этом принципе. Обычно это достигается благодаря конструкции гидротурбин или путём пропускания смеси через кольцевидное отверстие, которое имеет узкий вход и значительно больший по размеру выход: вынужденное уменьшение давления приводит к кавитации, поскольку жидкость стремится в сторону большего объёма. Этим метод можно управлять гидравлическими устройствами, которые контролируют размер входного отверстия, что позволяет регулировать процесс работы в различных средах. Внешняя сторона смесительных клапанов, по которой кавитационные пузыри перемещаются в противоположную сторону, чтобы вызвать имплозию (внутренний взрыв), подвергается огромному давлению и часто выполняется из сверхпрочных или жестких материалов, например, из нержавеющей стали, стеллита или даже поликристаллического алмаза (PCD).

Также были разработаны кавитационные водные устройства очистки, в которых граничные условия кавитации могут уничтожить загрязняющие вещества и органические молекулы. Спектральный анализ света, испускаемого в результате сонохимической реакции, показывает химические и плазменные базовые механизмы энергетической передачи. Свет, испускаемый кавитационными пузырями, называется сонолюминисценцией. Кавитационные процессы имеют высокую разрушительную силу, которую используют для дробления твердых веществ, которые находятся в жидкости. Одним из применений таких процессов является измельчение твердых включений в тяжёлые топлива, что используется для обработки котельного топ

Кавитация встречается в различных отраслях промышленности и несет в себе как полезные, так и вредные качества. В нефтяной промышленности с кавитацией часто сталкиваются при транспортировки нефти, так как присутствуют большие скорости потока и перепады давлений, что является благоприятными факторами для ее возникновения. При добычи и нагнетании воды в скважину с этим явлением сталкиваются при работе центробежных насосов, поэтому одним из наиболее важных параметров насоса является кавитационный запас, не соблюдая который можно прийти к поломке тех или иных частей насоса.

Список литературы

Базаров И. П. Термодинамика. — М.: Высшая школа, 1991. — 376 с.

Кнэпп Р. Кавитация // Р. Кнэпп, Дж. Дейли, Ф. Хэммит. — М.: Мир, 1974. — 668 с.

Промтов М.А. Машины и аппараты с импульсными энергетическими воздействиями на обрабатываемые вещества: учеб. пособие // М.А. Промтов. — М.: Машиностроение — 1, 2004. — 136 с.

Ильгамов М.А., Галиахметов Р.Н., Смородов Е.А. Физика и химия кавитации. — М.: Наука, 2008. — 190 с.

Кардашев Г.А. Химические методы интенсификации процессов. — М.:Химия, 1990. — 208 с.

Код для цитирования: Скопировать