Московский государственный


Исследование акустического излучения и явления кавитации



страница6/9
Дата01.02.2018
Размер6.52 Mb.
1   2   3   4   5   6   7   8   9

4 Исследование акустического излучения и явления кавитации

Ярко выраженный нестационарный характер энергетических превращений при ультраструйной обработке и суспензировании жидкости является причиной возникновения значительного числа источников волновых и колебательных процессов различной мощности и частотного спектра. Эти высокодинамические эффекты лежат в основе механизма трансформации кинетической энергии ультраструи в другие виды, в том числе в энергию активации (изменения свойств) самой обрабатываемой гидросреды.

Физическая природа, месторасположение источников, их энергетика и т.д. могут быть весьма различными и/или взаимосвязанными. Однако общим проявлением механизма действия данных источников будет динамическое возмущение окружающей их упругой волноводной среды: жидкости, газа или твердого тела (мишени).

Широкополосное акустическое излучение является доминирующим, неотъемлемым фактором обработки, непосредственно влияющим на характер ее протекания [26]. Изучение ряда литературных источников [9-20] позволило утверждать, что основной причиной возникновения мощной, энергетически весьма значимой, инициированной АЭ связано с высоко-динамическим нарушением сплошности гидросреды – акустической или своеобразной «ультраструйной» кавитации. Учитывая, что в качестве критического давления, при котором начинается кавитация, принимают давление насыщенных паров жидкости (в нашем случае 25 – 30 кПа) при данной температуре (~70˚С), то при наличии в жидкости центров парообразования кавитация может возникать при давлениях, превышающих эти значения. Согласно результатам моделирования давление воды в столбе ультраструи (см. рис. 10) составляет порядка 140 МПа, что существенно превышает давление насыщенных паров воды. Таким образом, каждый кавитационный пузырек, формируясь из ядра, растет до конечных размеров и схлопывается, при этом возникают ударные волны с давлением фронта до 103 МПа.

На основе результатов моделирования (см. рис. 10) построена зависимость изменение давления ультраструи от времени ее взаимодействия с преградой. Расчет частоты колебания давлений в зоне ультраструйного контакта равный ~125 кГц позволил установить наличие низкочастотных ультразвуковых колебаний. При этом, заметим, что частоты ультразвуковых колебаний при которых используется ультразвуковая кавитация в технологических целях, лежат в области именно этих частот. Интенсивность, соответствующая порогу кавитации, зависит от рода жидкости, частоты звука, температуры и др. факторов. Так, в воде на частоте 20 кГц она составляет значение ~0,3 Вт/см2.

В работах М.А. Промтова и ряда других исследователей [15 - 17] утверждается, что в конечном счете, воздействие кавитации на водные растворы сводится к процессу расщепления молекул воды в кавитационных пузырьках H2O→))) H˚, OH˚, H2 , H2O2, где знаком ))) показано химическое действие ультразвука. Ультразвук, действуя на воду, приводит к изменению ее физико-химических свойств: увеличению рН, электропроводности воды, увеличению числа свободных ионов и активных радикалов, структуризации и активации молекул, стимулированию таких процессов, как гидролиз, окисление, полимеризация, деполимеризация, ускорение реакций и т.д. [21].







1

2





3

4





5

6





7

8

1 - ультраструя, 2 – преграда (для улучшения видимости поля давлений в струе она убрана с модельной схемы), 3 – шкала давления

Рисунок 10 – Изменение давления ультраструи в процессе взаимодействия ультраструи и преграды (мишени)


Полученная форма сигнала изменения давления (рис. 11) вполне соответствует результатам реализации процедуры имитационного моделирования, рассмотренным в работе [2], где был получен импульс волны упругой деформации, имеющий затухающий синусоидальный колебательный характер (на рис. 11 для наглядности представлен в виде гистограммы). На рис. 12 представлено изменение давления в каждый момент времени для того же временного интервала, который рассмотрен на рис.11.

Полученные данные полностью отражают характер волнового акустически ультразвукового фактора УСО, оказывающего, как было отмечено выше, существенное влияние на свойства обрабатываемых жидкостей и материала, а рассчитанные параметры несут однозначную информацию об интенсивности энергетических превращений в зоне УСО.


Рисунок 11 – Изменение давления от времени взаимодействия ультраструи и преграды (пунктиром показана форма акустического сигнала возникающего при взаимодействии СО2 лазера с водой, зарегистрированного вдоль оси излучения на глубине 8 м [10])




Время t, мкс

Рисунок 12 – Изменение давления от времени взаимодействия ультраструи и преграды в каждый момент времени

С другой практической точки зрения знание результатов математического моделирования, в частности значения давлений на поверхности жидкости, представляется возможным получить выражение для акустического сигнала, генерируемого в жидкости [10]. Причем отдельный научный интерес будет представлять картина распределения акустического сигнала для ряда распределений интенсивности энергетического ультраструйного воздействия по пятну контакта ультраструи и жидкости в случае проведения экспериментов с затопленной мишенью. В работе [2] уже было отмечено, что в целом, процесс УСО затопленной струей протекает более нестабильно, чем при традиционной схеме удара струи в незатопленную мишень. Об этом свидетельствует увеличение дисперсии сигналов АЭ, визуально наблюдаемая в оптически прозрачной емкости нестационарность и хаотичность возникновения кавитирующих пузырей, иногда относительно больших размеров.

Учитывая сопоставимость плотности мощности ультраструи и технологических лазеров (~1МВт/мм2), а также принимая во внимание, что полная длительность лазерного импульса (СО2 лазер) составляет ~10 мкс и данная временная шкала доступна для анализа результатов математического моделирования воздействия ультраструи на преграду представляется возможным применение ультраструйных технологий в качестве альтернативного лазерному или традиционным источникам звука акустического источника для исследования характеристик акустических полей [7 - 13]. Внешняя схожесть зависимостей изменения давлений в гидроструе и акустической волны позволяет предположить близость ряда экспериментальных данных в случае проведения аналогичных опытов с применением ультраструйного оборудования взамен лазерного, используемого как генератор акустического излучения.

В дополнение к результатам исследований акустико-волновых процессов на рис. 13 представлены некоторые данные для изменения давления (сжатия) воздуха с наложенным векторным полем скоростей для алюминия за пределами нижней границы преграды. Численные значения давлений в воздухе демонстрируют картину существенных перепадов давлений, их чередование и рост количества областей с высокими значениями по мере протекания процесса взаимодействия ультраструи с преградой (рис. 13, а, б).



а



б

а – начальный этап взаимодействия струи и преграды (~20 мкс), б – этап глубокого проникновения ультраструи в преграду (~300 мкс), 1 - ультраструя, 2 –преграда (мишень), 3 - области высоких давлений, 4 – области низких давлений

Рисунок 13 – Изменение давления (сжатия) воздуха с наложенным векторным полем скоростей

Проведенные расчеты показали, что уровень звука с противоположной стороны от преграды составляет порядка 20 дБ. Очевидно, что общий уровень акустического воздействия будет существенно выше в случае простого суммирования основных источников акустического излучения, в частности от волн различной природы, кавитации и т.д. Данные значения не сложно получить экспериментально, применяя для исследований шумомеры типа Алгоритм-1 со шкалой деления 0,1 дБ.






Поделитесь с Вашими друзьями:
1   2   3   4   5   6   7   8   9


База данных защищена авторским правом ©znate.ru 2019
обратиться к администрации

    Главная страница