Гидродинамические явления при взаимодействии колеблющейся консольной пластины с жидкостью Текст научной статьи по специальности «Физика»

НЕЛИНЕЙНЫЕ КИНЕТИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ

УДК 532.696:534.121.1

ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ ПРИ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ КОЛЕБЛЮЩЕЙСЯ КОНСОЛЬНОЙ ПЛАСТИНЫ С ЖИДКОСТЬЮ

АЛЕКСАНДРОВ В.А.

Институт механики УрО РАН, 426067, г. Ижевск, ул. Т. Барамзиной, 34

АННОТАЦИЯ. Экспериментально исследовано взаимодействие консольной прямоугольной пластины с жидкостью при возбуждении изгибных колебаний пластины пьезоэлектрическим преобразователем. Обнаружены явления распыления жидкости и образования струй пластиной, возникновение течений внутри отдельных капель жидкости, помещенных на поверхность колеблющейся пластины. Установлено, что жидкость смачивает поверхность колеблющейся пластины, растекаясь на участках с пучностью колебаний. Механизмом распыления является инерционный отрыв частиц жидкости от гребней двумерных капиллярных волн Фарадея на поверхности смачивающего слоя жидкости. При наклонном расположении пластины распыление жидкости может сопровождаться образованием струй, исходящих из-под участков краев пластины с пучностью изгибных колебаний. Течения в каплях жидкости, колеблющихся вместе с пластиной, возникают из-за градиента давления, обусловленного распределенными колебаниями пластины.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: пьезоэлектрический преобразователь, изгибные колебания пластины, межфазная граница, распыление жидкости, кумулятивные струи, течения в капле жидкости.

ВВЕДЕНИЕ

Физические процессы при взаимодействии колеблющихся твердых тел с жидкостью находят применение в различных технологиях обработки жидкостей. Особый интерес представляют процессы, проявляющиеся при колебаниях в интервале ультразвуковых и близких к ним частот. Для получения колебаний достаточно большой амплитуды в таких устройствах, как распылители, диспергаторы, ультразвуковые ванны и т.д., используют мощные магнитострикционные и пьезоэлектрические преобразователи. В волноводах распылителей и диспергаторов пьезоэлектрическим преобразователем возбуждаются продольные колебания, которые передаются жидкости от их рабочей поверхности. Представляет интерес исследование взаимодействия с жидкостью упругих тел при возбуждении в них изгибных колебаний, так как при этом можно получить большую амплитуду по сравнению с амплитудой продольных колебаний. В наших работах [1 - 5] мы исследовали взаимодействие тонкого стержня, совершающего изгибные колебания, и жидкости на межфазной границе.

Изгибные колебания частично погруженного в жидкость стержня приводят к движению смачивающего слоя жидкости по поверхности стержня и распылению жидкости от участков поверхности стержня с пучностью колебаний. При наклонном погружении в жидкость участка стержня на его свободном конце обнаружено образование струи, исходящей из-под торцевой поверхности стержня. В дальнейшем было установлено, что условием для образования струи колеблющимся стержнем является наличие плоской клиновидной поверхности торца стержня. В зависимости от геометрии взаимодействия колеблющегося стержня с клиновидной поверхностью на свободном конце и жидкости на межфазной границе возможно получение гидродинамических явлений распыления жидкости, образования струи и фонтана (рис. 1). Эти явления, обусловленные колебаниями в жидкости стержня с плоским участком поверхности, вызвали интерес к исследованиям взаимодействия жидкости и упругой тонкой пластины, поверхность которой намного больше поверхности стержня. В данной работе проведены исследования гидродинамических эффектов в жидкости, создаваемых тонкой упругой консольной пластиной, совершающей колебания в интервале высоких звуковых частот.

Рис. 1. Распыление жидкости (а), образование струи (б) и фонтана (в) при колебаниях в воде стержня с клиновидной торцевой поверхностью

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТОВ

Основу устройства, с помощью которого проводились исследования, составляют дисковый пьезопреобразователь в качестве источника колебаний и консольно припаянная к нему одним из краев упругая пластина. Дисковые пьезопреобразователи работают на изгибных модах и выпускаются промышленностью в качестве излучателей звука. Простая конструкция и большая амплитуда колебаний пьезоизлучателей является удобным для их применения в различных конструкциях. На рис. 2, а представлена колебательная система из стальной пластины размером 32,0*8,0*0,1 мм и пьезоизлучателя FML-20T-6,0A1-100. Для управления пространственным расположением пластины было изготовлено устройство (рис. 2, б), состоящее из штатива и микрометра, к корпусу которого приварен круглый стержень. Пластина с пьезопреобразователем припаяны к подвижному штоку микрометра. Для возбуждения колебаний пьезопреобразователя на его электроды, одним из которых служит его корпус, подавалось переменное электрическое напряжение от усилителя, на вход которого поступал сигнал от генератора звуковой частоты Г3-35. Для получения максимальной амплитуды изгибных колебаний пластины ее геометрические размеры в плане выбиралась экспериментально так, чтобы одна из ее собственных частот колебаний была близкой к рабочей частоте пьезопреобразователя. Амплитуда изгибных колебаний свободного конца пластины в показанном на рис. 2, а устройстве при ее колебаниях на воздухе измерялась оптическим микроскопом и при возбуждении пьезопреобразователя напряжением амплитудой 30 В и частотой 5,5 кГц составила около 50 мкм.

Рис. 2. Стальная пластина, консольно припаянная к пьезоизлучателю (а) и устройство управления положением пластины в пространстве (б)

Для исследования гидродинамических явлений при взаимодействии колеблющейся пластины с жидкостью пластина частично погружалась в жидкость или поверхность горизонтально расположенной пластины смачивалась жидкостью. Наблюдаемые явления фиксировались цифровым фотоаппаратом Canon EOS 650D.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

На рис. 3, а показано распыление воды при воздействии на ее поверхность вертикально установленной пластины, совершающей изгибные колебания частотой 5,5 к1ц. Тонкий слои воды, смачивающий поверхность пластины, распределяется по ее поверхности в основном на участках с пучностью изгибных колебаний пластины, проявляя эти колебания. Вблизи поверхности края пластины, примыкающего к поверхности жидкости, смачивающий слой жидкости вспучивается, увеличивая свой объем (рис. 3, б), в его центре непосредственно на поверхности пластины образуется полусферическая область искусственной кавитации, наполненная пузырьками воздуха (светлая округлая область на рис. 3, в). Распыление жидкости осуществляется участком поверхности пластины, который приходится на пучность колебаний пластины и находящийся выше уровня поверхности жидкости. Перемещение жидкости по поверхности пластины в зону распыления при этом происходит в смачивающем

Рис. 3. Распыление воды консольной пластиной, колебания которой возбуждены пьезопреобразователем (а), вид сбоку (б) и под углом (в) взаимодействия колеблющейся пластины и жидкости

Вспучивание жидкости на межфазной границе вблизи поверхности колеблющейся пластины указывает на то, что подъем жидкости компенсирует гидродинамическое давление, вызванное колебательным движением жидкости вместе с пластиной. Это обсуждалось в предыдущей работе [5] для случая колебаний участка стержня в жидкости. Возникновение искусственной кавитации также указывает на отрицательное давление, периодически возникающее в жидкости непосредственно на поверхности пластины вместе с ее колебаниями.

С целью выявления механизма распыления мы поместили колеблющуюся пластину со смоченной жидкостью поверхностью под микроскоп. При этом обнаружилось, что при изгибных колебаниях пластины с частотой собственных колебаний на поверхности смачивающей пластину жидкости образуются двумерные капиллярные волны Фарадея, которые в результате интерференции создают периодическую структуру из выпуклостей и впадин (рис. 4). Выпуклости на поверхности жидкости соответствуют гребням капиллярных волн. Надо заметить, что волны Фарадея создаются в результате инерционных колебаний жидкости и обычно исследуются в больших резервуарах с жидкостью [6].

Рис. 4. Распределение смачивающего слоя жидкости на поверхности колеблющейся пластины (а), двумерные капиллярные волны Фарадея на поверхности слоя воды (б) и спирта (в) на пластине

Высокочастотные изгибные колебания пластины, близкие к ультразвуковым частотам, являются двумерными, и тонкий смачивающий слой жидкости испытывает действие инерционных сил с частотой колебаний пластины. Соответственно, в этом слое жидкости возникает давление инерционных сил, изменяющееся с частотой колебаний пластины. Если амплитуда колебаний мала и притока и оттока жидкости нет, колебания давления инерционных сил приводят к параметрическому возбуждению капиллярных волн на поверхности слоя жидкости, смачивающего поверхность колеблющейся пластины. С увеличением амплитуды колебаний гребни капиллярных волн увеличиваются и от них отрываются небольшие капли жидкости. В целом этот процесс приводит к распылению жидкости от поверхности пластины и образованию аэрозоля вблизи колеблющейся пластины. Этот механизм описан в [7], а иллюстрации двумерных капиллярных волн Фара-дея являются наглядным примером подтверждения механизма распыления жидкости в слое.

Тонкие слои вязких жидкостей, таких как вакуумное масло, подсолнечное масло или жидкое мыло, предварительно нанесенные на поверхности пластины, при возбуждении изгибных колебаний пластины перераспределяются таким образом, что жидкость собирается на участках поверхности пластины с пучностью колебаний каплями в форме двумерных колебаний самой пластины. При увеличении амплитуды колебаний пластины на поверхности этих капель образуются капиллярные волны, в каплях возникают внутренние течения и развиваются кавитационные процессы с образованием кластеров из микропузырьков (рис. 5). Внутренние течения в каплях прозрачных жидкостей на поверхности колеблющейся пластины можно проявить добавлением микрочастиц углерода (рис. 5, з, и).

Рис. 5. Распределение слоя вязкой жидкости на поверхности колеблющейся пластины (а), струйки в каплях вакуумного масла на краю пластины (б), капиллярные волны в струйках (в), капиллярная волна (г) и внутренние течения (д) в каплях подсолнечного масла на пластине, кластер микропузырьков в центре и капиллярная волна на краю капли жидкого мыла (е), капиллярные волны (ж) и течения в каплях приборного масла (з), капиллярная волна и течения в капле воды (и)

Выше было отмечено, что при наклонном частичном погружении в жидкость стержня с плоской торцевой поверхностью, в котором возбуждены изгибные колебания, возможно образование высокочастотной кумулятивной струи. Нами были также проведены исследования взаимодействия жидкости и консольной пластины, совершающей высокочастотные изгибные колебания, при погружении пластины в жидкость под острым углом. Экспериментами обнаружено, что консольная пластина, совершающая изгибные колебания способна создать кумулятивные струи, исходящие из-под поверхности ее краев как в конце, так и с боковых сторон (рис. 6). При определенных условиях погружения возможно возникновение одновременно нескольких струй, исходящих от участков краев пластины с пучностями изгибных колебаний.

Рис. 6. Кумулятивная струя воды, исходящая из-под края в конце пластины (а), струи воды, создаваемые короткой пластиной (б), струи вакуумного масла, исходящие из-под боковых краев пластины

Струя жидкости, создаваемая изогнутой пластиной, так же как и стержнем, может за счет реактивной силы привести в движение модель плавсредства, что может быть положено в основу создания пьезоэлектрических гидродинамических микродвигателей (рис. 7). Модель с пластиной, представленная на рис. 7, а, движется со скоростью 0,2 м/с, из-за более мощной струи ее скорость в 5 раз выше скорости движения модели со стержнем (рис. 7, б).

Наблюдаемые гидродинамические явления, возникающие при взаимодействии жидкости и колеблющейся консольной пластины, несомненно, связаны с распределенными двумерными изгибными колебаниями пластины, когда пучности изгибных колебаний находятся по краям и в центре пластины. Колебания с распределенной амплитудой в слое жидкости, смачивающей поверхность пластины, или в растекшейся капле на пластине создают градиент давления, что и приводит к возникновению течений в них в сторону области с большей амплитудой колебаний.

Рис. 7. Модели плавсредств, движущихся за счет струи, создаваемой пластиной {а) и стержнем (б), изгибные колебания в которых возбуждены пьезопреобразователем

Возбуждение капиллярных волн на поверхности жидкостей нанолитровых объемов менее 1 мм3, помещенных на колеблющейся пластине, дает возможность определения коэффициента поверхностного натяжения, от которого зависит длина капиллярной волны и других физических свойств различных жидкостей сверхмалых объемов. Длина капиллярной волны Я, коэффициент поверхностного натяжения о и частота волн f на поверхности

жидкости связаны с плотностью р соотношением Я = lji2.no/pf2). В связи с этим, пьезоэлектрическое устройство с консольной пластиной могло бы составить элемент диагностической системы, известной как 1аЬ-оп-а-сЫр - "лаборатория на чипе".

ВЫВОДЫ

Таким образом, воздействие на жидкость консольной упругой пластины, совершающей изгибные колебания в интервале высоких звуковых и ультразвуковых частот, приводит к гидродинамическим явлениям распыления жидкости, образования кумулятивных струй на межфазной границе, возникновению капиллярных волн на поверхности смачивающего поверхность пластины слоя жидкости. Слой вязкой жидкости, смачивающий поверхность колеблющейся пластины, распределяется на участках с пучностью колебаний пластины в виде капель, растекшихся в форме колебаний пластины, при этом в каплях возникают течения и развиваются кавитационные процессы, на их поверхности создаются капиллярные волны. Полученные результаты могут найти применение в развитии микро- и наногидродинамики.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Александров В.А. Вибрационное распыление жидкости тонким стержнем // Письма в Журнал технической физики. 2008. Т. 34, В. 3. С. 21-26.

2. Александров В.А. Распыление жидкости с открытой поверхности // Химическая физика и мезоскопия. 2008. Т. 10, № 1. С. 112-117.

3. Александров В.А., Михеев Г.М. Получение полидисперсного двухмодального жидкокапельного аэрозоля в генераторе с вибрирующим стержнем // Журнал технической физики. 2010. Т. 80, № 12. С. 110-114.

4. Александров В.А., Михеев Г.М. Гидродинамическая кавитация при распылении жидкости вибрирующим стержнем // Химическая физика и мезоскопия. 2011. Т. 13, № 1. С. 111-116.

5. Александров В.А. Взаимодействие вибрирующего стержня и жидкости на межфазной границе // Химическая физика и мезоскопия. 2013. Т. 15, № 1. С. 116-126.

6. Калиниченко В.А., Секерж-Зенькович С.Я. О прогрессивно-стоячих волнах Фарадея // Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского. 2011. № 4 (3). С. 820-821.

7. Ультразвук. Маленькая энциклопедия / гл. ред. И.П. Голямина. М. : СЭ, 1979. 400 с.

THE HYDRODYNAMIC PHENOMENA AT INTERACTION OF THE VIBRATING CONSOLE PLATE WITH LIQUID

Aleksandrov V.A.

Institute of Mechanics, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, Izhevsk, Russia

SUMMARY. Interaction of a console rectangular plate with liquid is experimentally investigated at excitation of bending vibrations of a plate by the piezoelectric converter. The phenomena of atomization of liquid and formation of jets by a plate, emergence of flows in the separate drops of liquid placed on a surface of the vibrating plate are found. It is established that liquid moistens a surface of a vibrating plate spreading on sites with antinode of vibrations. The mechanism of atomization is the inertial separation of particles of liquid from crests of two-dimensional capillary waves of Faraday on a surface of a moistening layer of liquid. At an inclined arrangement of a plate atomization of liquid can be accompanied by formation of the jets proceeding from under sites of edges of a plate with antinode of bending vibrations. The flows in drops of liquid vibrating together with a plate arise because of a gradient of pressure caused by distributed vibrations of the plate.

KEYWORDS: piezoelectric converter, bending vibrations of a plate, interphase border, liquid atomization, cumulative jets, flows in the drop of liquid.

Александров Владимир Алексеевич, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник ИМ УрО РАН, тел. (3412) 21-89-55, e-mail: [email protected]