CC BY
35
НАНОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ И УСТРОЙСТВА
УДК 532.528:534.114
ГИДРОДИНАМИЧЕСКАЯ КАВИТАЦИЯ ПРИ РАСПЫЛЕНИИ ЖИДКОСТИ ВИБРИРУЮЩИМ СТЕРЖНЕМ
АЛЕКСАНДРОВ В.А., МИХЕЕВ Г.М.
Институт прикладной механики УрО РАН, 426067, г. Ижевск, ул. Т. Барамзиной, 34
АННОТАЦИЯ. Исследовано явление мелкодисперсного распыления и генерации струи при воздействии на жидкость тонким стержнем, совершающим изгибные колебания звуковой частоты. Экспериментальные данные указывают на то, что механизм мелкодисперсного распыления связан с гидродинамической кавитацией периодического характера.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: распыление жидкости, пьезоэлектрический преобразователь, стержень, кавитация. ВВЕДЕНИЕ
В работах [1 - 6] были представлены результаты исследования обнаруженного нами явления распыления жидкости струной и стержнем, возбуждаемых пьезоэлектрическим преобразователем. В качестве одного из механизмов этого явления мы рассматривали распыление в слое жидкости, смачивающей поверхность струны и стержня на границе фаз. Распыление в слое [7] осуществляется за счет образования на поверхности жидкости, покрывающей тонким слоем колеблющуюся поверхность твердого тела стоячих капиллярных волн длиной
4 = фпг,/Р2 ,
где ап - коэффициент поверхностного натяжения, р - плотность жидкости, f - частота колебаний. При достаточно больших амплитудах колебаний твердого тела происходит отрыв капель жидкости с гребней капиллярных волн, в результате которого образуется аэрозоль с диметром капелек
d = (0,3 - 0,4)4 .
Как правило, распыление в слое осуществляется при колебаниях с частотой в десятки килогерц, при котором диаметр капель составляет десятки микрометров. В наших работах частота колебаний струны и стержней не превышала нескольких килогерц, поэтому мы связывали наблюдаемые явления с распылением в слое.
Вместе с тем хорошо известно распыление в фонтане [7, 8], которое осуществляется за счет возбуждения капиллярных волн на поверхности струи, возникающей в месте пучка ультразвуковых волн мегагерцовой частоты, направленного из глубины. Капиллярные волны на поверхности струи возникают при наличии в ней кавитации - захлопывание кавитационных пузырьков сопровождается ударными волнами, которые в свою очередь разрывают поверхность струи, создавая мелкодисперсный аэрозоль размером (2^4) мкм.
В процессе дальнейших экспериментов нами было установлено, что при распылении воды как струной, так и стержнем образуется аэрозоль, включающая мелкодисперсные частицы размером (10^40) мкм. Эти размеры частиц намного меньше тех, которые должны были они иметь при распылении в слое при частотах колебаний струны и стержня в интервалах частот (2^10) кГц. Расчетная длина капиллярной волны при этих частотах
3 3 3
для воды в нормальных условиях (оп = 72,8-10" Н/м и р= 0,998-10 кг/м ) составляет
Як = (0,26^0,77) мм, а размеры капелек должны быть в интервале d = (80^300) мкм.
Эти размеры меньше диаметра использованных нами, струны и стержня всего лишь от 2 до 8 раз. Однако на фотографиях аэрозолей, создаваемых стержнем и струной, видно, что размеры капелек в аэрозолях в десятки раз меньше их диаметра.
В связи с этим целью настоящей работы было уточнение механизма образования мелкодисперсного аэрозоля при взаимодействии жидкости и частично погруженного в нее стержня, совершающего изгибные колебания.
ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Исследования проводились с помощью устройств, содержащих пьезопреобразователь и припаянный к нему стержень с изогнутым концом. На электроды преобразователя подавалось электрическое напряжение звуковой частоты амплитудой до 30 В. При этом пьезопреобразователь совершает механические колебания и возбуждает в стержне одновременно продольные и изгибные колебания. При частичном погружении в жидкость изогнутого участка колеблющегося стержня происходит распыление жидкости, которое может сопровождаться образованием струи, исходящей из-под конца стержня.
Для увеличения амплитуды колебаний устройства пьеопреобразователь изготавливался из двух спаянных пьезопреобразователей ЗП-4, длина стержня диаметром 0 = 0,62 мм составляла около 60 мм, а изогнутая часть его конца - от 5 мм до 8 мм (рис. 1,а). Наиболее интенсивное распыление жидкости этим устройством происходило при частоте колебаний 3,5 кГц. Устройство, работающее на частоте 8 кГц, содержит пьезопреобразователь ЗП-9 и стержень длиной 15 мм, припаянный к краю пьезоэлемента (рис. 1,б).
а) - с пьезопреобразователями ЗП-4; б) - с пьезопреобрзователем ЗП-9 Рис. 1. Пьезоэлектрические распыляющие устройства
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
В результате экспериментальных исследований нами было обнаружено, что в случае распыления жидкости вибрирующим стержнем с загнутым концом отчетливо наблюдается мелкодисперсное распыление смачивающего слоя жидкости с верхней поверхности конца стержня и генерация струи, исходящей от выпуклой поверхности жидкости, примыкающей к торцу стержня (рис. 2, а; 2, б). Фотографирование струи с малой выдержкой показало, что она представляет собой ряд капелек жидкости (рис. 2, в). Явление распыления и генерации струи можно наблюдать и с устройством с двумя стержнями (рис. 3), что создает предпосылки для создания многостержневого распылителя.
Если предположить, что каждая капелька в струе исходит за каждый период колебаний конца стержня, то можно оценить скорость капелек в струе по формуле v = If, где f - частота колебаний стержня, I - расстояние между каплями, которое можно определить по фотографии исходя из известного диаметра стержня. В зависимости от применяемого устройства и частоты возбуждения стержневого распылителя скорости частиц в струе составили от 4 м/c до 12 м/с.
Практически можно считать, что при изгибных колебаниях стержня с круговой частотой ю = 2nf его свободный загнутый конец совершает колебания по дуге s = s0 cos Ш,
где 50 - амплитуда дуги. При этом амплитуда скорости колебаний составляет v0 = 2п/£0.
Если считать, что генерация струи происходит за счет инерционного выброса части смачивающего слоя жидкости с торцевой поверхности стержня, то скорость частиц должна быть равна амплитуде колебательной скорости торца стержня. Приравнивая амплитуду скорости конца стержня и скорость частиц в струе находим, что амплитуда смещения конца стержня выражается через расстояние между капельками в струе равенством 50 = //2п.
На фотографиях струи, генерируемой на частоте 8 кГц, видно, что расстояние между каплями в струе равно 2^4 диаметрам стержня или составляет от 1 мм до 2 мм. Отсюда, амплитуда смещения торца стержня оценивается в пределах от 0,2 мм до 0,4 мм.
а) - частота колебаний 3,5 кГц; б) - 8 кГц; в) - ряд капелек в струе, генерируемой на частоте 8 кГц Рис.2. Распыление воды и генерация струи колеблющимся стержнем
Рис. 3. Струи воды, исходящие одновременно от двух стержней, возбуждаемых одним пьезопреобразователем
Рис. 4. Пучность на поверхности воды, создаваемая погруженным колеблющимся стержнем
При погружении конца стержня в жидкость на глубину больше диаметра стержня на поверхности жидкости образуется пучность (рис. 4), а в самой жидкости возникают вихревые течения (рис. 5), которые обнаруживаются при диспергировании водной суспензии наночастиц углерода [9]. Эти явления указывают на создание колеблющимся стержнем локального изменения давления в жидкости вблизи торцевой поверхности стержня.
В связи с этим мы сосредоточили внимание на возможность возникновения кавитационных процессов в жидкости вблизи колеблющегося стержня, так как его скорость и, соответственно, скорость пограничного слоя жидкости на поверхности стержня за период колебаний значительно меняется. Поскольку участок стержня при колебаниях имеет ускорение, которое придается жидкости, то изменяется и локальное давление в жидкости в
окрестности поверхности стержня. При гармонических колебаниях торцевого участка поверхности стержня с частотой 8 кГц и амплитудой 0,3 мм амплитуда колебательного ускорения составляет 0,76-106 м/с2. При таком ускорении колеблющегося стержня давление, оказываемое поверхностью стержня в воде, достигает значения 0,76 МПа, что значительно больше атмосферного давления.
а) - после 10 с обработки суспензии; б) - то же после 30 с
Рис. 5. Вихревые течения в водной суспензии наночастиц углерода при диспергировании стержнем, совершающим изгибные колебания на частоте 3,5 кГц
При ускоренном движении стержня в жидкости за ним возникает отрицательное давление. Это может приводить к разрыву жидкости с образованием микропузырьков -гидродинамической кавитации, которая возникает в тех участках потока, где давление понижается до некоторого критического значения. Присутствующие в жидкости пузырьки газа или пара, двигаясь с потоком жидкости и попадая в область давления меньше критического, приобретает способность к неограниченному росту. После перехода в зону пониженного давления рост прекращается и пузырьки начинают уменьшаться. Если пузырьки содержат достаточно много газа, то при достижении ими минимального радиуса, они восстанавливаются и совершают несколько циклов затухающих колебаний, а если мало, то пузырек схлопывается полностью в первом цикле. Таким образом, вблизи обтекаемого тела, которым в нашем случае является движущийся с ускорением участок конца стержня, создается кавитационная зона, заполненная движущимися пузырьками. Сокращение кавитационных пузырьков происходит с большой скоростью и сопровождается звуковым импульсом, тем более сильным, чем меньше газа содержат пузырьки.
Другими словами можно сказать, что колебания стержня в жидкости могут привести к возникновению отрицательного и положительного перепада давления в жидкости, сопровождающегося с возникновением и захлопыванием микропузырьков, которые являются источниками ударных звуковых волн.
С целью выявления кавитационных процессов при взаимодействии колеблющегося стержня с поверхностью жидкости мы проводили фотографические исследования распыления воды свободным концом стержня в оптической кювете. В результате нами обнаружено, что под колеблющимся концом стержня в воде возникают пузыри (рис. 6). Очевидно, что при этом имеет место гидродинамическая кавитация, связанная с движением с переменной скоростью смачивающего поверхность стержня пограничного слоя воды. Необходимо отметить, что на фотографиях (рис. 6) четко заметны размытые изображения
границ стержня и свободной поверхности воды, которые указывают на их колебания. Размытость границ стержня составляет почти половину диаметра стержня и соответственно амплитуда колебаний участка стержня достигает 0,3 мм. Это значение является средним значением смещения стержня, найденным из фотографий капелек струи. На фотографиях, представленных на рис. 6, также видны отдельные капли воды, с верхней части которых исходят мельчайшие частицы жидкости. Это означает то, что свободная поверхность воды колеблется под воздействием стержня, вызывая колебания оболочек капель в виде капиллярных волн более высокой частоты по сравнению с частотой колебаний самого стержня. Источником таких колебаний могут являться ударные звуковые волны, исходящие от захлопывающихся пузырьков в кавитационной зоне. Эти ударные волны вызывают параметрические капиллярные колебания смачивающего слоя жидкости на верхней поверхности стержня, свободной поверхности воды вблизи стержня, а также поверхности крупных капель.
1 - кавитирующие пузыри; 2 - распыление жидкости; 3 - микрочастицы; 4 - капли;
5 - поверхность жидкости; 6 - стержень
Рис. 6. Фотографии процесса воздействия участка колеблющегося стержня (а) и его конца (б) на поверхность жидкости в оптической кювете
Все это указывает на то, что механизм мелкодисперсного распыления жидкости стержнем, частично погруженным в жидкость, имеет схожесть с механизмом распыления в фонтане из-за наличия кавитации. Отличие состоит в том, что в случае распыления в фонтане возникает акустическая кавитация, а в распылении стержнем - гидродинамическая кавитация. Таким образом, распыление жидкости колеблющимся стержнем с одновременной генерацией струи представляет собой периодический процесс, в котором в первой четверти периода колебаний конца стержня в жидкости непосредственно под поверхностью стержня в жидкости возникает гидродинамическая кавитация с образованием микрополостей и пузырей (рис. 7, а).
1 - стержень; 2 - жидкость; 3 - кавитационные пузыри; 4 - ударная волна; 5 - аэрозоль; 6 - капля
Рис. 7. Образование кавитационных пузырей в жидкости вблизи торца стержня при его ускоренном движении (а) и захлопывание пузырей на начальной стадии торможения стержня, сопровождающееся с возникновением ударной волны (б)
В конце этой же четверти периода колебаний стержня колебательная скорость конца стержня, а также смачивающего его поверхность слоя жидкости достигает максимального значения, а пузыри и полости в кавитационной зоне схлопываются, создавая ударные звуковые волны в жидкости. Эти ударные волны достигают слой жидкости на верхней поверхности участка конца стержня и разрывают его, образуя мелкодисперсный аэрозоль (рис. 7, б). Дополнительный импульс от ударных волн способствует отрыву части жидкости, примыкающей к торцевой поверхности стержня, от свободной поверхности жидкости в виде капли. Периодически выбрасываемые капли и образуют струю, исходящую от поверхности жидкости вблизи торца стержня.
ВЫВОДЫ
Полученные нами экспериментальные данные по исследованию распыления жидкости стержнем указывают на то, что механизм мелкодисперсного распыления связан с гидродинамической кавитацией периодического характера. На движущийся вместе с участком стержня смачивающий слой жидкости на поверхности стержня действуют ударные акустические волны, исходящие от захлопывающихся микропузырьков, образующихся под стержнем. При этом поверхность смачивающего слоя жидкости на поверхности стержня разрывается, создавая мелкодисперсный аэрозоль. Часть жидкости, примыкающая к торцевой поверхности стержня и движущаяся вместе с ней, приобретает дополнительный импульс от акустического давления, создаваемого гидродинамической кавитацией и отрывается в виде капли. Этот периодический процесс взаимодействия колеблющегося стержня с жидкостью в ее поверхностном слое, в целом, приводит к распылению жидкости и образованию струи.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Александров В.А. Волновое распыление жидкости струной // Письма в ЖТФ. 2003. Т.29, В.10. С.88-94.
2. Александров В.А., Михеев Г.М. Распылитель жидкости // Патент РФ на изобретение .№2234381, B05B 17/06, 12.08.2002, Бюл. № 23. 20.08.2004.
3. Липанов А.М., Михеев Г.М., Александров В.А. Пьезоэлектрический струнный распылитель жидкости / Институт прикладной механики УрО РАН. Ижевск, 2006. 17 с. Деп. в ВИНИТИ 14.08.2006, №1064-В2006.
4. Александров В.А. Вибрационное распыление жидкости тонким стержнем // Письма в ЖТФ. 2008.Т.34, В.3. С.21-26.
5. Александров В.А. Распылитель жидкости // Патент РФ на изобретение №233776. Бюл. №31. 10.11.2008.
6. Александров В.А. Распыление жидкости с открытой поверхности // Химическая физика и мезоскопия. 2008. Т.10, №1. С. 112-117.
7. Ультразвук. Маленькая энциклопедия / Глав. ред. И.П.Голямина. М. : Советская энциклопедия, 1979. 400 с.
8. Михеев Г.М., Михеев Гр.М., Некряченко Г.П. и др. Выделение водорода из диэлектрической жидкости под действием ультразвука // Письма в ЖТФ. 1998. Т.24, В.1. С. 79-84.
9. Александров В.А., Михеев Г.М. Пьезоэлектрические распылители наносуспензий // Тезисы Третьей Всеросс. конф. по наноматериалам НАНО 2009. Екатеринбург : Уральское изд-во, 2009. С.859.
HYDRODYNAMIC CAVITATION UNDER LIQUID SPRAYING USING VIBRATED ROD
Aleksandrov V.A., Mikheev G.M.
Institute of Applied Mechanics, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, Izhevsk, Russia
SUMMARY. The effect of the fine dispersed spraying and a jet generation by the influence of the thin rod under the audio frequency bending vibrations on the liquid were investigated. The experimental data indicate that the mechanism of the fine dispersed spraying due to the hydrodynamic cavitation having the periodical character.
KEYWORDS: liquid spraying, piezoelectric converter, rod, cavitation.
Александров Владимир Алексеевич, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник ИПМ УрО РАН, тел.: (3412) 21-89-55, e-mail: ava@udman.ru
Михеев Геннадий Михайлович, доктор физико-математических наук, профессор, главный научный сотрудник ИПМ УрО РАН, e-mail: mikheev@udman.ru
