WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Журнал технической физики, 2005, том 75, вып. 7 08;12 Сила, действующая на цилиндр при ультразвуковой кавитации 2 © Г.Н. Санкин,1 Н.В. Малых 1 Институт гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО РАН, 630090 Новосибирск, Россия e-mail: sankin@hydro.nsc.ru 2 Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН, 630090 Новосибирск, Россия e-mail: malykh@itp.nsc.ru (Поступило в Редакцию 20 июля 2004 г.) С целью исследовать механизмы кавитационного воздействия на поверхность с микрокапиллярной несплошностью и уточнить модели звукокапиллярного (ЗК) эффекта проведено сравнение величин силы, действующей на цилиндр, и высоты подъема жидкости в капилляре при кавитации, измеренных для одной и той же точки ультразвукового (УЗ) поля. Обнаружено, что сила действует на цилиндр по направлению к кавитационному кластеру, стабилизированному вблизи торца цилиндра. Показано, что сила может быть увеличена с помощью второго цилиндра, расположенного со стороны кластера соосно с первым. Исследована динамика кавитационного кластера в зависимости от величины зазора между двумя цилиндрами, один из которых находился на маятниковом подвесе. Найдены условия возбуждения автоколебаний отклонения маятника. Исследованы зависимости силы притяжения между цилиндрами от частоты УЗ и величины зазора. Установлено, что усредненное по поверхности торца давление на цилиндр диаметром 1.2 mm достигало 0.16 kPa, а давление в капилляре было 0.89 kPa. Таким образом, по крайней мере частично ЗК эффект может быть обусловлен противодавлением, возникающим при взаимодействии кавитационного кластера и капилляра. Эффект может быть применен для разработки датчиков кавитации и излучателей УЗ.

Введение силы, влияющей на течение жидкости в капилляре, остается неясным.

На тело в звуковом поле действует совокупность понРезультаты исследования динамики силы, действуюдеромоторных сил: пропорциональные амплитуде звука щей на твердый цилиндр в УЗ поле при кластерной и „квадратичные“ силы радиационного давления, а также кавитации, представлены в данной работе.

гидродинамические силы Стокса и Бернулли. Однако при большой (выше 1 W/cm2) интенсивности ультраПостановка экспериментов звука основное воздействие на твердую поверхность связано с эффектами кавитации: ударными волнами при Схема установки приведена на рис. 1,a. Стоячая ульсферически-симметричном и кумулятивном захлопыватразвуковая волна возбуждалась с помощью сферическонии пузырьков и пузырьковых кластеров, расклиниго пьезоэлектрического преобразователя 1, помещенновающего действия пузырьков и ЗК эффекта в порах го в сосуд с исследуемой жидкостью. Преобразователь, твердого тела [1]. Звукокапиллярный (ЗК) эффект — выполненный в виде сферы из посеребренной керамики подъем жидкости в капилляре за счет ультразвукового ЦТС-19 диаметром около 50 mm, подключен к самодельвоздействия долгое время притягивает внимание иссленому генератору прямоугольных импульсов амплитудой дователей [2] и имеет многочисленные практические 90–120 V, с частотой f = 26-31 kHz через переменную приложения от очищения до диспергирования широкого индуктивность для настройки резонанса и получения набора материалов [3].

синусоидального сигнала. Форма сигнала контролироВ зазоре между колеблющимися стенками возможно валась с помощью осциллографа TDS 210 (Tektronix), образование гидродинамических вихрей [4] и кавитациподключенного к излучателю через делитель.

онных пузырьковых кластеров [1,5]. Схлопываясь куСфера с тремя прорезями 10 для наблюдения устамулятивно (сферически или с образованием струйки), пузырьки и кластеры производят короткие по сравне- навливалась на подложке из вакуумной резины 9 в стеклянный химический стакан 2 емкостью 1l, заполняемый нию с периодом УЗ импульсы давления, вызывающие эрозию [5,6]. Вблизи торца твердого стержня и капил- водой. Концентрация газа в воде была предварительно понижена нагревом. Затем вода охлаждалась до темпеляра, помещенных в УЗ поле, наблюдались аналогичные ратуры 35-45C и использовалась в экспериментах в теявления (вихри, кавитация), определящие ЗК эффект [7] и давление на твердую стенку. Измерение давления, чение нескольких часов. Уровень жидкости 8 находился действующего на торец капилляра при кавитации, может выше вершины излучателя на величину h = 19-29 mm.

стать решающим экспериментом в пользу правильности Так как в сосуде устанавливалась стоячая волна с целым той или иной модели ЗК явления. До настоящего вре- числом полуволн, укладывающихся по высоте столба мени вопрос о точке приложения противодействующей жидкости, резонансная частота f зависела от h.

s 102 Г.Н. Санкин, Н.В. Малых боковая оставалась покрытой лаком, можно добиться, чтобы облачко было стабилизовано у торца цилиндра в обоих случаях. Это можно объяснить тем, что устойчивость кластера вблизи плоского торца больше, чем около выпуклой стенки цилиндра.

В случае, если кавитационный кластер на цилиндре 3 не образовывался спонтанно, для вынужденного создания кластера использовали проволочку 7, которую подносили поочередно к излучателю и к цилиндру. Проволочку, оказывающую стабилизирующее (локализующее) действие [7] на пузырьковый кластер, помещали в область наибольшего давления, в пучность стоячей волны. Затем ее перемещали в нужное место, при этом кластер перемещался вместе с проволочкой, в данном случае к торцу исследуемого цилинда.

Известно, что ЗК эффект можно усилить, прижав капилляр к излучателю [2]. Для моделирования этого явления мы использовали вспомогательный цилиндр диаметром 1.05 mm, изготовленный из медной проволоки со снятой лаковой изоляцией, который мог располагаться симметрично относительно оси излучателя, соосно с цилиндром 3.

За зазором между цилиндрами велись визуальные наблюдения и теневая киносъемка процесса камерой SensiCam Fast Shutter (PCO, Kelheim, Germany) с частотой 30-150 кадров в секунду (время экспозии 1 ms).

Подсвечивание осуществлялось лампой накаливания через матовое стекло. Для уменьшения искажений цилиндрической стенкой стакана перед объективом видеокамеры на стакан герметично наклеивали стеклянную пластинку 32 37 3 mm и заливали зазор жидкостью с показателем преломления, близким к исследуемой жидкости (та же самая жидкость, что и в стакане).

По регистрируемому с помощью киносъемки отклонению маятника в гравитационном поле Земли можно определить действующую на цилиндр силу F. Калибровка системы осуществлялась грузами известной массы, Рис. 1. a — схема установки: 1 — пъезокерамическая сфера; 2 — химический мерный стакан; 3 —маятник, 7 — вспомогательная проволочка; 3, 7 — цилиндры, 4 —подвес маятника; 5 —шарнир; 6 — противовес; 8 —свободная поверхность жидкости; 9 — резиновое кольцо; 10 — прорези для наблюдения; 11 — УЗ генератор; b — схема использованных проволочек (I, II) и капилляров (III, IV).

Над излучателем свободно подвешен с помощью шарнира 5 маятник 3 с прикрепленным на его конце цилиндром из медной проволоки в лаковой изоляции. Схема использованных цилиндров диаметром d = 1.2-2.2mm приведена на рис. 1,b (I, II).

По методике, описанной в [7], добивались стабилизации кавитационного кластера вблизи торца цилиндров и 3. Кавитация приводила к отклонению маятника от положения равновесия, которое измеряли по смещению цилиндра. Независимо от того, была ли торцевая и боковая поверхности одинаково обработаны надфилем Рис. 2. Калибровочная кривая для маятника с цилиндром или была обработана только торцевая поверхность, а диаметром 1.2 (1) 2.2 mm (2).

Журнал технической физики, 2005, том 75, вып. Сила, действующая на цилиндр при ультразвуковой кавитации подвешенными с помощью блока и тонкой нити к концу маятника, находящемуся в воздухе. Калибровочная кривая показана на рис. 2. Найденные зависимости практически линейны с коэффициентом наклона K, зависящим от подвешенного груза и массы противовеса. Найдено, что K равен 28 µm/mg для d = 1.2mm и 35µm/mg для d = 2.2 mm.

С целью сравнения эффекта силы, действующей на цилиндр, с величиной ЗК эффекта изготовлен капилляр из алюминия с прозрачным для наблюдения высоты подъема стеклянным отростком (рис. 1, b, схема III, IV).

Результаты Визуальные наблюдения показали, что цилиндр смещается только в случае наличия кавитационного кластера вблизи его торца.

Цифровая киносъемка позволила измерить силу, отклоняющую маятник от положения равновесия. Зависимость силы F, действующей на цилиндр, от частоты ультразвука f приведена на рис. 3. Данные для каждой точки были усреднены по трем измерениям. Эта зависимость имеет резонансный характер, причем для большего диаметра ширина резонанса больше (рис. 3,b, c). Для диаметра цилиндра 2.2 mm он находится (h = 19 mm) приблизительно при f = 29.67 kHz, а для h = 29 mm — s при f = 27.58 kHz. Большее значение силы было полуs чено для цилиндра с меньшим диаметром и составляло около 15 mg (рис. 3,a). Отрицательные значения силы обусловлены кластером, стабилизированным на бокой поверхности цилиндра.

Если рядом с цилиндром 3 поместить второй цилиндр 7, как показано на рис. 4,a, c зазором xмежду ними, то цилиндры притягиваются (рис. 4,b), Рис. 4. Кадры киносъемки цилиндра, прикрепленного к маятнику (находится справа, диаметр 1.2 mm) и вспомогательной проволочки (слева): a — ультразвук выключен, b —с ультразвуком со стабилизированными кавитационными кластерами вблизи торцов. Время экспозиции 1 ms. Время между кадрами 67 ms.

Рис. 3. Зависимость силы от частоты ультразвука для одного цилиндра. Диаметр цилиндра 1.2 (a), 2.2 mm (b,c), для тем самым увеличивая измеряемую силу, действующую двух цилиндров (d). Зависимость высоты подъема жидкости на правый цилиндр. В этом случае на рисунке хорошо в капилляре из алюминия от частоты. Внутренний диаметр видно образование кавитационных кластеров вблизи капилляра: 1.4 (f), 0.4 mm (e); расстояние от излучателя до уровня жидкости h = 19 (a,c, d); 29 mm(b,e,f ). торцов притягивающихся цилиндров. При дальнейшем Журнал технической физики, 2005, том 75, вып. 104 Г.Н. Санкин, Н.В. Малых На рис. 4,b показано изменение зазора и формы кавитационных кластеров вблизи торцов обоих цилиндров в течение одного периода колебаний. Можно видеть, что возникающая из-за кавитации средняя за период сила притягивает цилиндры друг к другу (среднее по времени положение правого цилиндра смещено относительно равновесного, показанного на рис. 4,a, т. е. x < x0).

Левый маятник остается практически неподвижным, колеблется правый маятник (рис. 5,a). Эта притягивающая цилиндры друг к другу кавитационная сила тем больше, чем меньше зазор между цилиндрами. Однако к моменту соприкосновения цилиндров облачко вытесняется из зазора. Это приводит к уменьшению силы притяжения и правый маятник стремится вернуться в равновесное положение. Тем не менее по инерции правый маятник продолжает движение и соударяется с другим маятником.

Затем с увеличением зазора образуется новый кластер пузырьков, притягивающий цилиндры и, процесс повторяется снова. Так как в системе существует указанная обратная связь, в ней развивается автоколебательный процесс.

На рис. 5,b показана зависимость расстояния x между двумя цилиндрами от скорости его изменения (фазовая диаграмма) для более чем двух периодов автоколебаний (частота ультразвука f = 27.5kHz). Период колебаний s был около 0.6 s. Это соответствует частоте автоколебаний f = 1.7Hz ( f f ).

a a s Звукокапиллярный эффект изучали для капилляра из алюминия, расположенного вертикально, при возбуждении кавитации вблизи его торца. Погружение устья капилляра в ту же область над излучателем, где находился цилиндр, приводила к увеличению высоты подъема жидкости в отростке при УЗ кавитации на величину dH (рис. 3,e, f) по сравнению с высотой подъема без УЗ за счет одних капиллярных сил. Из рисунка видно, что зависимость силы, действующей на цилиндр, и высоты подъема жидкости коррелируют. Обе зависимости имеют максимум вблизи частоты 29.6 kHz. Изменение высоты Рис. 5. a — автоколебания величины зазора (ромбы), коордиподъема жидкости в резонансе практически не зависит нат левого (кружки) и правого (квадраты) цилиндров от вреот диаметра входного отверстия капилляра и составлямени. Сплошные кривые — равновесные значения координаты яет около 8.4 и 9.1 cm для наименьшего и наибольшего торца цилиндров (без ультразвука), b — фазовая диаграмма диаметров. Гидростатическое давление указанного столавтоколебаний маятника при кавитации. x1, x2 — координаты ба жидкости достигает приблизительно 0.89 kPa, что в левого и правого цилиндров.

5.7 раз превышает величину давления, усредненного по площади торца сплошного цилиндра d = 1.2 mm.

ближайшем рассмотрении (рис. 4,b, 6-й кадр сверху) было найдено, что эта сила уменьшается, если цилиндры Обсуждение соприкасаются. Отклонение маятника измеряли после затухания его колебаний. Зависимость силы, действуюИзвестно некоторое количество моделей, посвященщей между цилиндрами, от частоты ультразвука (УЗ) ных ЗК явлению. Одна из них связывает ЗК эффект со показана на рис. 3,d. Она имеет резонансный характер с струйным характером коллапса пузырька вблизи устья максимумом при f = 27.47 kHz. В максимуме значение s капилляра [2]. Если пузырек расположен на оси капилсилы достигало приблизительно 86 mg. Расстояние межу ляра, можно ожидать, что пузырек будет захлопываться цилиндрами вычисляется по формуле x = x0 - FK.

несферично с образованием кумулятивной струйки. ПоПри некоторой величине начального (УЗ выключен) сле попадания струйки в канал капилляра жидкость в зазора x0 (показан на рис. 4,a) между цилиндрами после нем приобретет дополнительный импульс, за счет котовключения УЗ в системе возникает автоколебательный рого жидкость начинает подъем. Сила, действущая на капроцесс, наблюдавшийся в опыте в течение нескольких пилляр, в этом случае направлена в сторону, противопоминут. ложную скорости течения жидкости в канале. Заметим, Журнал технической физики, 2005, том 75, вып. Сила, действующая на цилиндр при ультразвуковой кавитации что в общем случае образование струйки необязательно. (соударение) цилиндров (рис. 4). Если соударение не наДостаточным является смещение центра масс пузырьков ступает, при включении ультразвука колебания маятника являются затухающими с декрементом, обусловленным, за счет так называемого импульса Кельвина [8]. В этом например, вязкостью жидкости.

случае усиление сферической кумуляции энергии внутри пузырька не противоречит экспериментальным данным по увеличению интенсивности свечения кавитационного Заключение кластера [9].

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.