XV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2023

Удар и ударные волны

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. Отличительным признаком ударного или импульсного акустического воздействия является пространственно-временная локализация энергии в технологическом объекте. Как правило, импульсная система запасает от источников энергию на некотором интервале времени tз , а отдает ее за короткое время импульса Δtи, причем Δtи << tз .

Характерные длительности импульсов составляют 10-3 -10-6 с, поэтому при сравнительно малой энергии в десятки джоулей мощность в импульсе составляет мегаватты, что и обусловливает высокую эффективность импульсной технологии.

В зависимости от соотношения между длительностью реакции или переходного процесса, вызванного акустическим импульсом в системе, можно рассматривать одиночные импульсы или периодическую их последовательность.

В импульсной технологии используют последовательности импульсов разнообразной формы, например прямоугольные или экспоненциальные, повторяющиеся с периодом Т. Импульсные воздействия характеризуют рядом физических величин. Кинематическими характеристиками являются смещение, скорость и ускорение при ударе. В качестве силовых характеристик ударных воздействий используют силу, давление или напряжение, а энергетических - энергию и мощность.

В зависимости от вида преобразования энергия может сосредоточиваться в различных промежуточных накопителях между источником и нагрузкой. В качестве накопителей энергии используют химические, магнитодинамические, индуктивные, механические и емкостные накопители. Эти накопители обладают различными характеристиками: длительностью импульса, током в импульсе, величиной запасенной энергии. Кроме перечисленных важны также и эксплуатационно-экономические характеристики.

Импульсное воздействие приводит к возникновению в среде волновых явлений: акустических импульсов, ударных волн. Анализ импульсных волновых явлений и ударных волн в воде при давлении на фронте до 100 МПа может проводиться в линейном приближении. В общем же случае анализ ударных волн относится к классу нелинейных волновых явлений акустики и газодинамики и требует специального рассмотрения.

В ударной волне имеется область сильно сжатого газа или жидкости, которая перемещается в пространстве с большой (для газов со сверхзвуковой) скоростью. Эпюра ударной волны (рисунок 1) 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.

Рисунок 1 - Изменение давления за фронтом ударной волны

Ударные воздействия в технологии могут реализовываться следующими путями. При определенных режимах в ряде аппаратов движение твердых частиц, капель, пузырьков, струй, подвижных конструктивных элементов (шары и т.д.) могут носить ударный характер, например в осциллирующих (колебательных) режимах, сопровождающихся гидравлическими ударами. Целенаправленное использование этих режимов может служить одним из методов создания интенсифицирующих воздействий.

Другим способом является генерирование ударных (импульсных) воздействий специальными устройствами, в качестве которых могут служить механические и другие вибровозбудители, работающие в соответствующем диапазоне амплитудно-частотных или временных характеристик. Разнообразные виброударные устройства нашли широкое применение в строительстве, машиностроении, геофизике. В химической технологии подобные устройства почти не используются за исключением механических процессов (дробление), тогда как целесообразным является их применение и для интенсификации процессов других классов.

Импульсная кавитация

Кавитация – это образование разрывов сплошности жидкости в результате местного спада давления. Если снижение давления происходит вследствие больших локальных скоростей в потоке движущейся капельной жидкости, то кавитация считается гидродинамической, а если вследствие прохождения в жидкости акустических волн, – акустической.

Идея дробить длинные органические цепочки на более короткие для получения свободных радикалов, образующих новые соединения, с тем чтобы получить больше светлых нефтепродуктов (СНП), не нова. Такие работы были начаты еще в СССР в 60-х годах была разработана и запущена в серийное производство большая линейка гидродинамических смесителей, аппаратов вихревого слоя и т.д., которые широко зарекомендовали себя в области химии и нефтехимии уже тогда, а в особенности в сфере обеззараживания сточных вод, тяжелых вод загрязненных фенолами и т.д. Но особенно актуальными они стали сейчас, в момент стремительного подорожания нефти как сырья и роста стоимости ее переработки, ухудшения качества нефти, ухудшения качества получаемых продуктов..

Нефть – высокомолекулярная, гетерогенная жидкость, молекулы которой при атмосферном давлении и нормальной температуре сложно ориентированы. При приложении к нефти внешнего давления в несколько сот атмосфер молекулы поляризуются, противодействуя внешним силам и сохраняя равновесие системы. Если внешнее давление резко снять, то внутренние силы начнут разрывать макромолекулы на более мелкие составляющие, причем, плотность продукта уменьшается. Этот принцип положен в основу обработки нефти с целью изменения ее структуры.
На сегодняшний день наиболее качественна обработка нефти кавитационным оборудованием. В результате физико-химических процессов после кавитационной обработки нефти возрастает удельный вес СНП.

Эффект кавитации сопровождается микровзрывами, ультразвуком, а также механическими срезами и соударениями при воздействии сотен режущих пар, двигающихся навстречу друг другу с высокой линейной скоростью. Величина этой скорости составляет несколько десятков метров в секунду, что дает возможность разрезать диспергируемые вещества на мельчайшие микрочастицы. Фактически это микроимпульсы. За одну минуту – сотни тысяч микроимпульсов.

В основе многих процессов переработки нефти и нефтяных остатков лежат фазовые переходы, характерные для нефтяных дисперсных систем. Воздействовать на кинетику фазовых переходов можно химическими веществами и физическими полями. В результате такого вмешательства изменяется радиус ядра и толщина адсорбционно-сольватной оболочки сложной структурной единицы, которая является элементом нефтяной дисперсной системы. Это позволяет увеличить выход целевых нефтепродуктов, улучшить их качество, снизить энергозатраты.

Экспериментальные исследования воздействия колебаний при прохождении через ультразвуковой кавитатор нефти показали следующие результаты:

кавитационная обработка позволяет увеличить выход фракций при одинаковой температуре отгона.

Отсюда можно сделать вывод, что гидродинамика и создаваемые нею ультразвуковые колебания ускоряют диффузию нефти в полости парафина, интенсифицируют процесс его разрушения. Ускорение растворения парафина идёт за счёт интенсификации перемешивания нефти на границе нефть-парафин и действия импульсов давления, которые как бы разбрызгивают частицы парафина.

В настоящее время применение ударных волн широко используется в науке. В частности в нефтепроизводстве, и является более выгодных и экологически безопасным методом.

Список использованных источников

И73 «Интернаука»: научный журнал – № 19(148). Часть 3. Москва, Изд. «Интернаука», 2020. – 80 с. Электрон. версия. печ. публ. – https://www.internauka.org/journal/science/internauka/148 (09.06.2021)

Электронный учебник «Физическая химия. Химическая термодинамика» Данилин В.Н., Шурай П.Е. Боровская Л.В. /yчебное пособие Издательство: ФГУП НТЦ "Информрегистр" (Москва) Год издания:2010

Код для цитирования: Скопировать