Промтов М.А. - Машины и аппараты с импульсными энергетич. воздейств. на обрабат. вещества. Промтов М.А. - Машины и аппараты с импульсными энергетич. воздей. М. А. Промтов машины и аппараты с импульсными энергетическими
 Скачать 2.8 Mb.
|
|
т.е. является линейной функцией кавитации. В настоящее время нет удовлетворительной модели кавитационной области, адекватно описываю- щей ее поведение и поведение принадлежащего к ней отдельного кавитационного пузырька. Поведение кавитационной области зависит от многих явлений и факторов: размножение и коагуляция (коалесцен- ция) пузырьков; их взаимодействие; изменение характера пульсаций пузырька за счет ударных волн и звукового излучения соседних пузырьков; изменение средних акустических свойств среды; микропото- ки внутри кавитационной области и на границе пузырька; распределение зародышей кавитации; газосо- держание и т.д. На рис. 2.1 и 2.2 показаны кавитационные области, образованные в ультразвуковом из- лучателе и в роторном импульсно-кавитационном аппарате. РИС. 2.1 КАВИТАЦИОННАЯ ОБЛАСТЬ, ОБРАЗОВАННАЯ НАД УЛЬТРАЗВУКОВЫМ МАГНИТОСТРИКЦИОННЫМ ИЗЛУЧАТЕЛЕМ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ СТАТИЧЕСКИХ ДАВЛЕНИЯХ [18]: А – 0,9 МПА; Б – 0,6 МПА; В – 0,2 МПА; Г – 0,1 МПА РИС. 2.2 КАВИТАЦИОННЫЙ КЛАСТЕР, ОБРАЗОВАННЫЙ В КАНАЛЕ СТАТОРА РОТОРНОГО ИМПУЛЬСНО-КАВИТАЦИОННОГО АППАРАТА. В процессе своего жизненного цикла кавитационные пузырьки теряют сферическую форму в боль- шей или меньшей степени в зависимости от максимального радиуса, частоты акустического поля, вяз- кости, наличия поверхностно-активных веществ и т.п. Наибольшие деформации наблюдаются на за- а) в) г) б) ωR ключительной стадии сжатия. Особенно большое влияние имеет соседство твердой стенки или близко- расположенного кавитационного пузырька (рис. 2.3) [14, 20]. Рис. 2.3 Кинограмма пульсаций кавитационного пузырька и образования кумулятивной струи по направлению к твердой поверхности (максимальный радиус пузырька 1,1 мм) [14] Различают четыре типа сжатия, потери устойчивости и схлопывания пузырьков в ультразвуковом поле вблизи твердой поверхности. При первом типе схлопывания кумулятивные струи не наблюдаются. При втором и третьем типах схлопывания динамический импульс образуется как результат действия волн давления, распространяющихся от прилегающей к поверхности части пузырька, так и действия кумулятивной струи, образующейся при слиянии двух кольцевых струй. При четвертом типе схлопыва- ния динамическое воздействие на твердую стенку оказывает волна давления, распространяющаяся от пузырька, отделенного от поверхности кольцевыми струями. При слиянии этих струй часто возникает кумулятивная струя от твердой поверхности сквозь кавитационный пузырек, что приводит к снижению динамического импульса. С увеличением вязкости жидкости кумулятивные струйки ослабевают. Помимо кольцевых и радиальных кумулятивных струй кавитационные пузырьки образуют ряд мел- ких нитеобразных «отростков» и «шероховатостей», длина которых увеличивается по мере сжатия пу- зырьков (рис. 2.4) [14, 19]. Для создания кавитационной области используется определенная часть энергии первичного звуко- вого поля. Отношение затраченной энергии к полной энергии первичного поля называется коэффици- ентом кавитационного использования акустической энергии[19]: Е Е к = η . (2.27) Энергия звукового поля, идущая на образование кави- тационной области, затрачи- вается в течение всей фазы расширения кавитационного пузырька. Это время несколь- ко меньше периода первично- го звука Т 0 . Приняв это время равным Т 0 , средняя за период, мощность, которая затрачива- ется на образование всей ка- витационной области, равна: = = 0 к к T E N η = η N T E 0 , (2.28) где N – мощность первичного звука, Вт. Таким образом, кавитаци- онная область представляет собой своеобразный транс- форматор мощности, в кото- ром сравнительно медленно накапливаемая энергия осво- бождается в течение очень короткого Рис. 2.4 Образование «шероховатостей» на по- верхности кавитацион- ного пузырька с кумулятивной струйкой [14] времени, в результате чего мгновенная мощность во много раз превосходит среднюю, вводимую излу- чателем в кавитационную область [23]. На развитие и интенсивность кавитации большое влияние оказывают внешние условия и свойства жидкости. При кавитации в дегазированной жидкости в кавитационные пузырьки поступает меньшее количества воздуха, чем в отстоявшейся, что приводит к уменьшению демпфирующего эффекта парога- зовой смеси в пузырьке при его смыкании и возрастании давления в ударной волне. Дегазация жидко- сти приводит к уменьшению области кавитации с одновременным увеличением интенсивности ударной волны, создаваемой кавитационными пузырьками [13]. При повышении температуры давление внутри пузырька, определенное давлением пара и газа, увеличивается, и ударная волна ослабляется, но это также приводит к росту кавитационной области. Из теоретических предпосылок следует, что увеличение гидростатического давления приводит к уменьшению времени захлопывания пузырька и увеличению интенсивности ударных волн. Экспери- менты, проведенные по исследованию кавитационной эрозии, сонолюминесценции и измерению ам- плитуды давления в момент захлопывания кавитационного пузырька, показывают, что увеличение гид- ростатического давления приводит к заметному увеличению этих явлений, а затем некоторому умень- шению с выраженным оптимумом. Все эти зависимости получили многочисленное экспериментальное подтверждение в различных исследованиях [13]. Акустическая кавитация в жидкостях инициирует различные физико-химические явления; сонолю- минесценцию (свечение жидкостей); химические эффекты (звукохимические реакции); эрозию твердого тела (разрушение поверхности); диспергирование (измельчение твердых частиц в жидкости) и эмульги- рование (смешивание и гомогенизация несмешивающихся жидкостей). Сонолюминесценция и звуковые химические реакции являются генетически связанными процесса- ми, могут оказывать взаимное влияние, но в принципе они могут осуществляться независимо один от другого [14, 19]. Ультразвуковая люминесценция и свечение, возникающее при гидродинамической ка- витации, являются близкими по своей природе процессами. При экспериментальном исследовании ка- витации в низкочастотных звуковых полях была выявлена аналогия по физико-химическим эффектам между низкочастотной и ультразвуковой кавитацией [14, 19]. Модель физико-химических процессов, происходящих в кавитационном пузырьке и прилегающем к нему объеме жидкости, представляют в следующем виде [14]. В кавитационную полость могут прони- кать пары воды, растворенные газы, а также вещества с высокой упругостью пара и не могут проникать ионы или молекулы нелетучих растворенных веществ. Выделяющейся в процессе схлопывания пузырь- ка энергии достаточно для возбуждения, ионизации и диссоциации молекул воды, газов и веществ с вы- сокой упругостью пара внутри кавитационной полости. На этой стадии любой из присутствующих газов является активным компонентом, участвуя в передаче энергии возбуждения, перезарядке и других про- цессах. Действие звукового поля на вещества, проникающие в полость, является непосредственным, прямым, причем действие активных газов О 2 , Н 2 и N 2 в кавитационной полости двойственное: 1) во-первых, О 2 и Н 2 участвуют в реакциях трансформирования радикалов: o o 2 2 НО О Н → + , О, Н Н Н ОН 2 2 + → + o o а N 2 – в газовых звукохимических реакциях, конечным результатом которых является фиксация азота: 2 2 2 )))NO O N → + , 3 2 2 )))NH H N → + ; 2) во-вторых, химически активные газы, проникая в кавитационную полость, участвуют, так же как и благородные газы, в передаче энергии электронного возбуждения молекулам воды, а также в процессе перезарядки. Здесь символом ))) обозначено химическое действие звука. При схлопывании кавитационного пузырька в раствор переходят радикалы Н °, ОН°, ионы и элек- троны малой энергии, образовавшиеся в газовой фазе при расщеплении молекулы Н 2 О и веществ с вы- сокой упругостью пара, продукты их взаимодействия и частичных рекомбинаций, а также метастабиль- ные возбужденные молекулы Н 2 О. Суммарную схему кавитационного расщепления молекул воды представляют в следующем ви- де: O H , H , OH , )))H O H 2 2 2 2 o o → Возникающие в системе активные частицы после перехода в раствор сольватируются и реагируют с растворенными веществами. На этой стадии, когда осуществляются косвенные действия акустических колебаний, на ход процесса могут оказывать влияние практически только химически активные газы – О 2 и Н 2 В конечном счете, воздействие кавитации на водные растворы сводится к единственному процессу – расщеплению молекул воды в кавитационных пузырьках. Независимо от природы растворенных ве- ществ, звук действует на одно вещество – на воду, что приводит к изменению ее физико-химических свойств: увеличению рН, электропроводности воды, увеличению числа свободных ионов и активных радикалов, структуризации и активации молекул. Исследования сонолюминесценции, звукохимических реакций и выдвигаемые многочисленные ги- потезы, объясняющие эти явления, на данный момент позволяют сделать только один вывод: природа первичной активации молекул внутри кавитационного пузырька является либо тепловой, либо электри- ческой. Более подробно с этими явлениями можно ознакомиться в [14, 19, 21]. Эрозия твердого тела (разрушение поверхности), очистка поверхностей, удаление заусенцев и микронеровностей, диспергирование твердых частиц и эмульгирование осуществляются, в основ- ном, двумя характерными проявлениями кавитации: ударными волнами и кумулятивными струйка- ми, образующимися при схлопывании кавитационных пузырьков. На поверхностях частиц и твердых тел имеются концентраторы напряжений в виде микротрещин, неровностей поверхности и т.п., на которых образуются зародыши кавитации. Под действием звукока- пиллярного эффекта и интенсивных микропотоков жидкость проникает в поры и трещины, где при за- хлопывании кавитационных пузырьков возникает мощная ударная волна, способствующая разрушению материалов. Кумулятивные струйки разрушают поверхность твердого тела за счет кинетической энер- гии жидкости. Мелкие частицы твердого тела, размеры которых соизмеримы с поперечным сечением кумулятивных струй, увлекаются ими и дают дополнительный вклад в процесс разрушения твердых частиц, находящихся в жидкости. Более подробно ознакомиться с кинетикой диспергирования, очистки, эрозии и эмульгирования в поле акустической кавитации можно в [10, 11, 16, 13 – 25]. Методы исследования кавитации можно разделить на прямые и косвенные. К прямым методам от- носятся: 1) визуальные – фото-, кино- и видеосъемка кавитационных образований; 2) акустические – измерение давления в ударной волне, излучаемой одним или совокупностью ка- витационных пузырьков при пульсациях и схлопывании. Косвенные методы включают в себя такие методы как: 1) фотоэлектрический – регистрация сонолюминесценции при кавитации; 2) химические – исследование изменения массы, концентрации или объема химических реагентов за счет звукохимических реакций в кавитационном поле; 3) гидродинамические – изменение гидродинамических параметров потока жидкости, связанных с интенсивностью кавитации; 4) механические – измерение величины кавитационной эрозии, которую обычно выражают через убыль веса образцов в виде алюминиевых цилиндриков или через площадь вырывов в алюминиевой фольге; 5) технологические – изменения качественных показателей обрабатываемой среды, связанных с ин- тенсивностью кавитации (в качестве обрабатываемой среды используют эмульсии, суспензии и т.п., в которых протекают гидромеханические и тепломассообменные процессы). В качестве безразмерных параметров, характеризующих кавитацию, используют: − индекс кавитации K; − критерии гидродинамической и акустической кавитации [26, 27]: 2 2 2 0 п к г V R P P x ρ σ + − = ; (2.29) а 0 п к a 2 P R P P x σ + − = , (2.30) где V – скорость потока жидкости. Используются также комбинированный и эффективный критерии кавитации: а 2 0 п к к 2 2 P V R P P x + ρ σ + − = ; (2.31) г a г a э x x x x x + = (2.32) В некоторых случаях, вследствие малости P п и 0 2 R σ , этими членами пренебрегают. Критерии а х и г х имеют разные коэффициенты корреляции с интенсивностью кавитации, характеризуемой амплиту- дой импульса давления, излучаемого кавитационным пузырьком [26, 27]. Индекс кавитации K существенно зависит от величины выделенного расчетного объема υ . Крите- рии кавитации х и индекс кавитации K отражают различные количественно-качественные параметры кавитации. Критерии кавитации х характеризуют гидродинамическую и акустическую обстановку. В многочисленных исследованиях установлено, что максимум величины ударного давления, генерируе- мого кавитационным пузырьком, наблюдается при 3 , 0 2 , 0 a ≤ ≤ x . Индекс кавитации K характеризует распространение кавитационных пузырьков в технологическом объеме и является мерой пространст- венной плотности энергии. Для более полного представления о физической картине кавитации следует характеризовать ее ве- личиной ударного давления (P к1 ) и по величине объема кавитационных образований ) ( υ ∆ . Относитель- ные параметры типа а к1 P P и K также необходимы, так как они характеризуют эффективность излуча- теля. Наиболее перспективным является комбинированный способ исследования кавитации – фото- и видеосъемка, совмещенные с измерением акустических и гидродинамических параметров кавита- ционного поля. Этот способ хорошо зарекомендовал себя во многих исследованиях кавитации [27]. 2.2 АВТОКОЛЕБАНИЯ И РЕЗОНАНС Одним из факторов воздействия на обрабатываемую среду служат акустические эффекты, обу- словленные пульсациями давления и скорости потока жидкости или газа. Для повышения эффек- тивности работы машин и аппаратов с импульсным энергетическим воздействием (МАИЭВ) ис- пользуются дополнительные источники акустических колебаний и вибраций. Дополнительные ис- точники акустических колебаний и вибраций можно разделить на активные, которые требуют ав- тономного источника энергии для генерирования колебаний, и пассивные, которые приводятся в колебательное движение за счет энергии обрабатываемой среды. Технологические системы, включающие в себя МАИЭВ, содержат также технологическое оборудо- вание и трубопроводы, связывающие систему в единый комплекс. С точки зрения акустики, это обору- дование и трубопровод имеют свои собственные резонансные частоты и могут содержать дополнитель- ные источники акустических колебаний. В МАИЭВ, как генераторах энергетических (акустических) импульсов, акустические поля вспомогательного технологического оборудования в совокупности фор- мируют сложную картину и тем самым оказывают определенное влияние на интенсивность проводи- мых процессов. Это влияние может дать как положительный, так и отрицательный эффект и его необ- ходимо учитывать. Синхронизация собственных акустических эффектов технологического оборудова- ния и дополнительных источников акустических колебаний с основными генераторами гидроакустиче- ских импульсов – МАИЭВ, будет благоприятно сказываться на интенсификации химико- технологических процессов. В этом случае, могут иметь место автоколебательные и резонансные режи- мы работы МАИЭВ и технологической системы, КПД при таких режимах значительно выше. Колебания давления и скорости, наложенные на осредненное течение, могут служить причиной возмущающего воздействия на устойчивость и структуру течения. В случае ламинарного течения эти воздействия могут ускорить или замедлить переход к турбулентному режиму течения, а в слу- чае турбулентного потока – существенно изменить гидродинамические характеристики потока, в частности спектр турбулентности, и даже привести к образованию вихревых течений [28, 29]. Экспериментальные работы по исследованию влияния колебаний на гидродинамику турбулентных потоков в каналах показали, что при наличии наложенных регулярных колебаний скорости взаимодей- ствие турбулентных пульсаций с наложенными регулярными колебаниями возможно в том случае, ко- гда частота наложенных регулярных колебаний скорости совпадает с частотой турбулентных пульса- ций, соответствующей малым волновым числам. В случае высокочастотных колебаний, когда период регулярных возмущений совпадает с мини- мальным периодом турбулентных пульсаций, картина течения существенно усложняется: регулярные колебания могут взаимодействовать с турбулентными пульсациями, в результате чего спектр турбу- лентных колебаний может измениться. В спектре одновременно будут существовать как случайные турбулентные колебания, так и регулярные. В турбулентном потопе возникают когерентные структуры – крупномасштабные периодические вихре- вые образования, развивающиеся и взаимодействующие друг с другом. Когерентные структуры чувстви- тельны к различного рода периодическим возмущениям, управление ими может привести как к интенсифи- кации, так и к замедлению ХТП. Таким образом, установлено, что взаимодействие акустического поля и турбулентных составляю- щих может привести к изменению интенсивности и спектра турбулентных пульсаций. Если частота ко- лебаний совпадает с частотой колебаний относительно больших вихрей, которые в основном обуслов- ливают турбулентное перемешивание жидкости, то наступает турбулентный резонанс, приводящий к усилению интенсивности турбулентных пульсаций [29]. В РЕЗУЛЬТАТЕ МНОГОКРАТНОГО ОТРАЖЕНИЯ ЗВУКОВЫХ ВОЛН ОТ ГРАНИЦ ВНУТ- РЕННИХ ОБЪЕМОВ АППАРАТОВ ВОЗНИКАЕТ ЗАМКНУТОЕ ТРЕХМЕРНОЕ ВОЛНОВОЕ ПОЛЕ [30]. ОБЫЧНО ЛИНЕЙНЫЕ РАЗМЕРЫ АППАРАТА БОЛЬШЕ ДЛИНЫ ЗВУКОВЫХ ВОЛН. ЗАМК- НУТЫЙ ОБЪЕМ АППАРАТА ПРЕДСТАВЛЯЕТ СОБОЙ КОЛЕБАТЕЛЬНУЮ СИСТЕМУ СО СПЕК- ТРОМ СОБСТВЕННЫХ ЧАСТОТ, ПРИ ЭТОМ КАЖДОЙ СОБСТВЕННОЙ ЧАСТОТЕ СООТВЕТСТ- ВУЕТ СВОЙ ДЕКРЕМЕНТ ЗАТУХАНИЯ. ЕСЛИ ИСТОЧНИК ЗВУКА СОЗДАЕТ ЗВУКОВЫЕ СИГ- НАЛЫ С МЕНЯЮЩИМСЯ СПЕКТРАЛЬНЫМ И АМПЛИТУДНЫМ РАСПРЕДЕЛЕНИЕМ, ТО ЭТИ СИГНАЛЫ ВОЗБУДЯТ КОЛЕБАНИЯ СРЕДЫ В АППАРАТЕ С ЧАСТОТАМИ, БЛИЗКИМИ К РЕЗО- НАНСНЫМ, И ПО МЕРЕ ИЗМЕНЕНИЯ СПЕКТРА БУДУТ ВОЗНИКАТЬ ВСЕ НОВЫЕ И НОВЫЕ МОДЫ СОБСТВЕННЫХ КОЛЕБАНИЙ ЗАМКНУТОГО ОБЪЕМА, КОТОРЫЕ, ИСКАЗЯТ НАЧАЛЬ- НЫЙ СИГНАЛ. ПОСКОЛЬКУ ДЕКРЕМЕНТ ЗАТУХАНИЯ СОСТАВЛЯЮЩИХ СПЕКТРА ЧАСТОТ РАЗЛИЧЕН, ТО КАЖДАЯ ИЗ СОСТАВЛЯЮЩИХ ЧАСТОТ ИМЕЕТ СВОЕ ВРЕМЯ РЕВЕРБЕРАЦИИ. В зависимости от формы аппарата в замкнутом объеме могут возникнуть собственные колеба- ния с различным набором собственных частот, соответствующих плоским, цилиндрическим или |