Стабилизация кавитационного кластера и усиление звукокапиллярного эффекта

Сибирское отделение РАН • Институт гидродинамики

ДИНАМИКА СПЛОШНОЙ СРЕДЫ. 2005. Выпуск 123 АКУСТИКА НЕОДНОРОДНЫХ СРЕД

УДК 534.522; 532.528

СТАБИЛИЗАЦИЯ КАВИТАЦИОННОГО КЛАСТЕРА И УСИЛЕНИЕ ЗВУКОКАПИЛЛЯРНОГО ЭФФЕКТА

, ,

(Новосибирск)

Введение. В 30-70-х гг. XX в. интерес к кавитации был обусловлен решением во­просов 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 пе­реработки 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 дав­лений вплоть до термоядерных температур [2]. При этом существует проблема простран­ственной 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, суще­ствующий 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 эксперимен­та по изучению динамики ультразвукового (УЗ) кавитационного кластера и ЗК эффекта. Стоячая УЗ волна возбуждалась с помощью пьезоэлектрической сферы с резонансной ча­стотой 25 - г - 35 кГц. Сфера с отверстиями для наблюдения устанавливалась на подложке из вакуумной резины в стеклянный химический стакан, заполняемый различными жид­костями. С помощью координатного устройства в центре сферы в пучности давления УЗ волны определялось положение капилляра, которому соответствовала максимальная вы­сота подъема жидкости в капилляре Нт = h + hК (h — высота подъема жидкости за счет ЗК эффекта; hк = 4s/d1; s — поверхностное натяжение; d1, d2 — внутренний и внеш­ний 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 коле­баниях.

Работа выполнена в рамках Интеграционного проекта СО РАН № 000 при финансовой поддержке Рос­сийского фонда фундаментальных исследований (код проекта ) и гранта Германской службы академических обменов (DAAD) на приобретение научного оборудования.

, ,

43

Рис. 1. Схема эксперимента:

I — пьезоэлектрическая сфера; 2 — капилляр; 3 — жид­
кость; 4 — кавитационный кластер; 5 — стеклянный
сосуд; 6 — цифровая камера; 7 — импульсная лампа-
вспышка; 8 — окна; 9 — компьютер; 10 — координатник;

II — резиновая подложка

Осциллограммы давления записывались цифровым осциллографом TDS 210 (Tektronix, 8 бит) на персональный компьютер. Свечение кавитационной области реги­стрировалось с помощью ФЭУ-35 (спектральный диапазон 300-f-600 нм, анодное сопротив­ление 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 мало­вязкой 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 ло­кализованных квазисферических областей, соединенных пузырьковыми «дорожками» друг с другом и с торцом капилляра, и по форме напоминал трубку курильщика (рис. 2,б). Та­кой кластер наблюдался нами в предварительно нагретой воде и существовал продолжи-

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)

44

ДИНАМИКА СПЛОШНОЙ СРЕДЫ. 2005. Вып. 123

 

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

тельное время. 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 вслед­ствие 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 стабилизирова­но положение кластера, может перемещаться за счет возникновения разных конфигураций кластеров и разного локального объемного газосодержания, а следовательно, за счет изме­нения 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 сфери­ческой 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 мне­нию, в этом заключается один из механизмов пространственной стабилизации кластера.

На рис. 3 показана форма кавитационного кластера, возникшего вблизи торца капил­ляра в разных жидкостях при одинаковых параметрах УЗ поля. В отличие от раствора глицерина в воде и этиловом спирте кластеры имеют разные (в том числе полусфериче­ские) формы, но они менее устойчивы. В спирте часто наблюдалось образование не кла­стеров, 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 образовы­вался вблизи торца капилляра в растворе глицерина в центре сферы, в пучности стоячей волны. В случае раствора глицерина форма торца капилляра не влияла на форму класте­ра, который всегда имел полусферическую форму. В течение всего времени наблюдения наблюдался устойчивый ЗК эффект, жидкость непрерывно переливалась через край ка­пилляра (Нт > 36 см, длина капилляра 36 см). В течение всего времени наблюдения сохранялась квазисферическая форма кластера. Это позволило сравнить данные фото­съемки при различных фазах волны. Данные фотосъемки приведены на рис. 4, 5. Видно,

, ,

45

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: кла­стеры 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 свече­ния. 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 кла­стера 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 локализован­ного на торце капилляра сферического кластера.

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

Заключение. Анализ результатов эксперимента показал локализующее, стабилизи­рующее влияние помещенного в пучность стоячей волны твердого стержня (капилляра) на формирование пузырькового кластера. Наиболее устойчивый, локализованный полусфери­ческий 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

46

ДИНАМИКА СПЛОШНОЙ СРЕДЫ. 2005. Вып. 123

Рис. 6. Свечение кавитационной области в центре сферы (совмещено по 10 ос­циллограммам) :

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

эффекта отмечается в [3, 6]. ЗК давление, высота подъема жидкости в капилляре и све­чение 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 захлопы­ваются преимущественно синхронно, т. е. кооперативно. ЗК эффект усиливался в жидко­стях 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 осно­ве интенсификации многих важных технологических и химических процессов, связанных с очисткой, пропиткой, металлизацией пористых материалов и субмикронным дисперги­рованием твердых частиц.

Авторы выражают благодарность за полезное обсуждение работы, а также и за помощь в подготовке экспериментов.

ЛИТЕРАТУРА

1.  Ультразвук. М.: Физматгиз, 1963.

2.  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.

3.  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.

4.  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. .

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

, ,

47

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 / O. *****denko, O. A. Sapozhnikov. Moscow: MSU, 2002. V. 2. P. .