Диффузионный поток при осаждении наноаэрозолей в звуковом поле Текст научной статьи по специальности «Физика»

Minina Marina Valer'evna

Open Company «Agency on the High Technology and Innovative Technologies». The Arctic Public Academy of Sciences.

E-mail: [email protected]; [email protected].

14-16, Markina Street, Off. 42, S.-Peterburg, 197198, Russia.

Phones: +78122344868; +79216321186; Phone/Fax: +78124984227.

Executive Director; the Scientific Secretary; Cand. of Eng. Sc.

Malik Saad

The Russian State Hydrometeorological University.

E-mail: [email protected].

3, Metallistov, Avenue, St.-Petersburg, 195196, Russia.

Phone: +79643651396.

The Department of Sea Information Technologies; Post-graduate Student.

Soboleva Kseniya Valer’evna

Leningrad Regional branch VPP “Uniform Russia”.

The St.-Petersburg State Electrotechnical University.

E-mail: [email protected].

30, Vasi Alexeeva Street, Off. 62, St.-Petersburg, 198188, Russia.

Phones: +78127847518; Fax: +78123719257; +79516654323.

Press-secretary; Post-graduate Student.

УДК 534.29:551.594.25

МЛ. Тимошенко

ДИФФУЗИОННЫЙ ПОТОК ПРИ ОСАЖДЕНИИ НАНОАЭРОЗОЛЕЙ

В ЗВУКОВОМ ПОЛЕ

Рассматривается диффузия аэрозолей в акустическом попе с целью их осаждения. Получены аналитические выражения для потока наноразмерных частиц через гидродинамический и акустический пограничные слои в зависимости от частоты диффузионного потока через пограничный слой в звуковом поле для разных радиусов частиц. Приводятся трёхмерные нанофотографии исследованных типов табака. В конце работы приведены краткие выводы о поведении диффузионного потока нано- и субмикронных частиц при прохождении их через акустический и гидродинамический пограничные слои.

Диффузия; граничные слои; наночастицы; звуковое поле.

M.A. Timoshenko DIFFUSION STREAM AND PRECIPITATION OF NANOAEROSOL IN THE SHAMP ACOUSTIC

The aerosol diffusion with the purpose of precipitation is considered in the article. Analytical expressions for a stream nano particles through hydrodynamic and acoustic interfaces depending on frequency of a diffusive stream through an interface in a sound field for different radiuses of particles are received. Are resulted three-dimensional nanofotograph the investigated types of tobacco. In the end of work short conclusions about behavior of a diffusive stream nano- and sub-micronic particles are resulted at their passage through acoustic and hydrodynamic interfaces.

Diffusion; boundary layers; nanoparticles; shamp acoustic.

После подстановки в конечную формулу Пу (x) для диффузионного потока ([1]. C. 139-144) соответствующих выражений [2, 3], для толщин акустического ёа и гидродинамического 8,, пограничных слоев, коэффициента диффузии D, начального потока П0=п0у0 и коэффициента Р= пмол/ n0, где n0 и пмол - концентрация наночастиц и газа около источника, получаем расчетные формулы для оценки относи-

тельного изменения осаждаемых диффузионных потоков нано- и субмикронных аэрозолей через гидродинамические пограничные слои соответственно в акустиче-

ском поле

П (х) кТ( рт)2 (\+а)Р

у0 (2^) 26 щЩ 1+ — Ие

П0

и в гидродинамическом потоке

16

ехр

ПДх) кТ( р )2 (1 + а)Р

Пп

і і (у0)2 (^) г6щК

ехр

(рт)2 к (1+а)Г0

1 3

у0й(2^) 2 (1 +— Ке)6л:т]Щ 16

кТ (р)2 (1 + а)Р 1 1 ' (у0 )2 (ц€)2 ЪбщЩ

(1)

(2)

Для удобства наглядного анализа от температуры Т, вязкости г| и плотности р среды, размера частиц И, скорости течения у0, числа Рейнольдса Ие и поправки Милликена а для аэрозоля, высоты канала Ъ, расстояния х и частоты f звука (ш=2л0 сокращения параметров в (1) и (2) не произведены.

Экспоненциальные члены в формулах (1) и (2) можно переписать в виде (- ) (- ), -

- . (1)

коэффициент акустического осаждения равен

1

(рю)2 к (1+а)ГР

К=-

(3)

Уой(2^)2

1+16 Ие \ 6mjR

(2)

1

К, =

кТ (р)2 (1 +ос)Р

(4)

1 1 (у0)2 (^ )2 Нвл^Я

При проектировании технологических аппаратов, использующих осаждение тонкодисперсных промышленных аэрозолей (при нанесении защитных покрытий;

-, . электрофильтрах, создание новых материалов с покрытиями из наночастиц и др.), надо знать зависимость потока высокоадгезионного аэрозоля через гидродинамический и акустический пограничные слои от основных параметров среды, аэрозоля . , (1) (2),

позволяет это сделать.

На рис. 1 представлены расчетные зависимости относительного изменения диффузионных потоков для аэрозольных частиц разных размеров в функции от частоты звука /в то чке х1= 0,15 м от начала координат. Кривые 1, 2, 3, 4 и 5 соответствуют радиусам частиц И, равным 50, 100, 300, 600 и 900 нм. Температура Т в расчетах принята комнатной (20°С) или в градусах Кельвина Т°К=Т°С+273=293°К, как требуется в формуле (1). Скорость аэрозоля в начале канала У0 = 1^-. Ширина

канала Ъ=0,1 м. Динамическая вязкость воздуха г = 1,8 -10

кг

. Плотность воз-

м • с

кг

духа р= 1,2-----. Приведенные значения параметров примерно соответствуют

м

5

условиям проведенного экспериментального исследования диффузионного осаждения потока нано- и субмикронных аэрозольных частиц.

Рис. 1. Изменение от частоты диффузионного потока через пограничный слой в звуковом поле для разных радиусов частиц (кривая 1 - Я=50 нм; 2 - К=100 нм;

3 - Я=300 нм; 4 - Я=600 нм и 5 - Я=900 нм)

Как видно из графиков рис. 1, с увеличением частоты звука диффузионный поток через акустический пограничный слой растет, что связано с уменьшением пограничного слоя 5а при повышении частоты. Коэффициент Ка акустического

- , выражения (3), зависит от частоты звука и от размера тонкодисперсных аэрозолей.

(- ) -

(1) , ( . . 1). -

(1) ( . . 1) -

монстрирует понижение диффузионного потока частиц через акустический пограничный слой. Из сравнения кривых 1^5 видно, что с ростом размера частиц диффузионный поток частиц через акустический пограничный слой уменьшается из-за

( ). -(1) ,

, .

Для наглядной связи реальной действительности и расчетных параметров осаждаемого диффузионного потока на рис. 2 представлено экспериментально полученная с одного из сканов с помощью атомно-силовой микроскопии трехмерное изображение аэрозольных наночастиц сигаретного дыма «МаШого». Как вид, . частиц составляют 20^60 нм. Эта величина примерно соответствует кривой 1 предыдущего рис. 1. Микрофотографии (см. рис. 2) получены при частоте 930 Гц и уровне звукового давления рзв=140 дБ (соответственно р=200 Па, амплитуда колебательной скорости и0=0,5 м/с). Масштаб сканированной микрофотографии нано. 2. - -па были выполнены измерения распределения всех наблюдаемых частиц по размерам. По этим измерениям построен в вероятностно-логарифмическом масштабе график дисперсного распределения наночастиц дыма сигарет «МаШого». График дисперсного распределения в указанных координатах имеет вид прямой линии, что говорит о гауссовом законе распределения использованных в экспериментах наночастиц аэрозоля сигаретного дыма по размерам [1-3].

В инновационных технологических установках с использованием нано- и субмикронных частиц (по сообщениям из литературы) размеры каналов, где движется осаждаемый аэрозоль небольшие. Поэтому оценим влияние расстояния х в расчетной модели по формуле (1) на осаждение диффузионного потока через акустический пограничный слой. На рис. 3 представлена серия графиков частотной зависимости изменения осаждаемого диффузионного потока через акустический пограничный слой при дискретных расстояниях х1=0,15 м; х2=0,35 м; х3=0,55 м и х4=0,65 м для размеров частиц И=50 нм (соответственно кривые 1, 2, 3 и 4) и И=300 нм (кривые 5, 6, 7 и 8). Остальные расчетные параметры (Т, и0, Ь, г|, р, диапазон частот) такие же, как для рис. 1.

Рис. 2. Трехмерная микрофотография наночастиц сигаретного дыма «МаІЬого» (частота звука 930 Гц, уровень звукового давления 140 дБ)

Рис. 3. Изменение от частоты диффузионного потока через акустический пограничный слой для различных расстояний х по каналу (кривые 1, 2, 3 и 4 соответствуют х1=0,15 м; х2=0,35 м; х3=0,55 м и х4=0,65 м при Я=50 нм; кривые 5, 6, 7 и 8 при Я=300 нм, х1, х2, х3 и х4 - те же)

Как видно из графиков, с увеличением расстояния х высокочастотная область графиков заметно спадает. Диффузионный поток через акустический пограничный слой с расстоянием уменьшается, демонстрируя законы сохранения массы (из-за

).

1,2 раза.

Сравнение диффузионных потоков через акустический пограничный слой

-

( ).

акустическом поле потока наночастиц при некоторых сочетаниях остальных параметров в 5-8 раз превышает соответствующие значения для субмикронных частиц.

Проанализируем по математической модели зависимость осаждаемого в акустическом поле диффузионного потока через пограничный слой при различной температуре Т. На рис. 4 представлена серия графиков частотной зависимости изменения в точке х1=0,15 м диффузионного потока через акустический пограничный слой при температуре 20, 100, 200 и 300° С исходного потока аэрозоля (кри-1, 2, 3 4 ). ( . . 4)

частиц И=50 нм. Остальные расчетные параметры (диапазон частот, у0, Ь, г|, р, х1) такие же, как для рис. 1.

. 4.

пограничный слой для различных температур при х1=0,15 м (для Я=50 нм кривые 1, 2, 3 и 4 соответственно приведены для температур 20, 100, 200 и 300° С)

Как видно из графиков в акустическом поле с ростом температуры увеличивается диффузионный поток через акустический пограничный слой. Это увеличение связано с ростом коэффициента диффузии Б аэрозольных частиц. Из выраже-(1) , -зольных частиц через акустический пограничный слой для более крупных частиц субмикронного размера ослабевает по сравнению с аналогичным потоком для на-норазмерных частиц промышленных аэрозолей при тех же изменениях температу-. 5-7 .

Как видно из проведенного выше численного анализа математической модели диффузионного потока нано- и субмикронных частиц через акустический и гидродинамический пограничные слои, при проектировании технологических установок с осаждением различных тонкодисперсных промышленных аэрозолей, работающих в условиях разнообразия комбинаций входящих параметров среды, аэрозоля и акустического поля наибольшее влияние оказывают размеры частиц, , .

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Тимошенко М.А. Диффузия субмикронных частиц в потоке через гидродинамический и акустический пограничные слои // Известия ЮФУ. Технические науки. - 2010.

- № 9 (110). - С. 139-144.

2. . ., . . .

- Ростов-на-Дону: Ростиздат, 2003. - 304 с.

3. . ., . . .

- - - : , 2004. - 224 .

4. . . - .: , 1963.

Статью рекомендовал к опубликованию д.ф.-м.н. АЛ. Жорник.

Тимошенко Мария Алексеевна

Технологический институт федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южный федеральный университет» в г. Таганроге.

E-mail: [email protected].

347928, г. Таганрог, пер. Некрасовский, 44.

.: 88634371795.

Кафедра электрогидроакустической и медицинской техники; аспирант.

Timoshenko Maria Alexseevna

Taganrog Institute of Technology - Federal State-Owned Autonomous Educational Establishment of Higher Vocational Education “Southern Federal University”.

E-mail: [email protected].

44, Nekrasovsky, Taganrog, 347928, Russia.

Phone: +78634371795.

The Department of Hydroacoustic and Medical Engineering; Post-graduate Student.