CC BY
41
УДК 534.29:551.594.25
В. И. Т имошенко, Н. Н. Чернов
ВОЗДЕЙСТВИЕ МОЩНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛН НА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ
Рассматриваются физические основы проявления и использования нелинейных акустических эффектов в инновационных технологических процессах с теп-
- .
Акустические волны; инновационные технологии; технологические процессы; ; ; .
V.I. Timoshenko, N.N. Chernov INFLUENCE OF POWERFUL ACOUSTIC WAVES ON ENGINEERING PROCESS
The basic physics of nonlinear acoustic effects display & use at innovation engineering process with heat & mass transmission in ecoology & biomedicine are considered.
Acoustic waves; innovation technologies; engineering process; ecology; biomedicine; nonlinear acoustic effects.
B работах кафедры электрогидроакустической и медицинской техники ТТИ ЮФУ (ТРТИ, ТРТУ) за последние 45 лет в области нелинейной акустики, важное место занимали фундаментальные аспекты воздействия мощных акустических волн на технологические процессы в жидких и газообразных средах. Нами физически обоснованы и реализованы технологии интенсификации процессов тепло- и массопереноса, а также диффузии, гидродинамического взаимодействия, коагуляции и осаждения различных промышленных аэрозолей (дымов) в мощном звуко-.
В мощном звуковом поле помимо колебательного движения возникает направленное движение среды, так называемые акустические течения. Впервые их наблюдал в 1831 году Фарадей над колеблющейся мембраной. Поясню механизм возникновения течения. Пусть в газе или в жидкости на некотором расстоянии L происходит перепад средней плотности акустической энергии из-за вязкого по.
L. , -
кающая массу жидкости или газа в направлении убыли энергии. Точно так же радиационное давление света толкает хвосты комет в сторону от солнца. Несколько лет назад все мы наблюдали комету Галлея после сумерек. Направленное движение массы в акустическом поле - это и есть акустическое течение (или звуковой
). . вихревые потоки возникают [1] в мощном акустическом поле в свободном пространстве (эккартовские течения), в стоячей волне (рэлеевские течения) и в аку-
( ). много заниматься этим интересным нелинейным явлением. Кстати, общее уравнение акустических течений получается из гидродинамических уравнений движения и непрерывности с добавлением уравнения потока массы. В книге «Нелинейная акустика» (авторы Л.К.Зарембо и В.И.Тимошенко, М., МГУ, 1984 г.) глава об аку-
стических течениях написана, в основном, в Таганроге. Наш интерес к акустическим течениям, особенно, к мелкомасштабным вихрям в пограничном слое около ,
на процессы тепло- и массопереноса, а, следовательно, на все технологические процессы: ультразвуковая очистка, сушка, ускорение горения, экстракция, эмульгирование, травление, пропитка, гальванические покрытия и многие другие.
Нам удалось теоретически описать характер акустических течений в пограничном слое для эллиптического цилиндра (рис. 1). Ранее были известны решения для кругового цилиндра. Самыми результативными (и трудными) были наши обширные эксперименты (см. рис. 2) по наблюдению характера акустических течений при изменении амплитуды колебаний и частоты на 3 порядка (в 1000 раз). Для этого в жидкость или газ мы вводили легкие частицы, которые полностью увлекались течением; они подсвечивались стробоскопически. По длине треков мы судили о скорости течений. На рис. 3 представлена полученная нами экспериментально диаграмма трансформации акустических течений, возникающих вблизи кругового
т„
рсУытха
цилиндра радиуса а в зависимости от числа Рейнольдса Яе = -
тп П
относительной амплитуды колебательного смещения %/ а. Представьте себе, в каждом квадранте в тончайшем пограничном слое около поверхности препятствия в разные стороны крутятся вихри мелкомасштабных акустических течений (шлих), . перемещаются в пространстве, следуя фазе акустического поля. В следующий по-лупериод направление вращений вихрей меняется на противоположное. В силу нелинейности акустические течения имеют пороговый и гистерезисный характер. На диаграмме рис. 3: 1 - граница перехода течений области I в течения области II; 2 - нижняя граница исчезновения течения области II; 3 - верхняя граница появления течения области II; 4 - граница перехода течений области II в течение области III. Заштрихованы области значений % и Ке , где справедливы теоретические решения задачи об акустических течениях соответственно при малых и больших Ке . Эта диаграмма позволяет предсказывать характер акустических течений.
Рис. 1. Линии тока акустических течении около эллиптического цилиндра в звуковом поле
Нами обнаружены в области III быстрые отрывные течения, которые еще мало изучены. Трудная, но интересная тема для кандидатской диссертации. Вернемся к области течений I и II. Толщина акустического пограничного слоя д = л/ 2у/&
Рис. 2. Фотография акустических течении около кругового цилиндра
меньше гидродинамического пограничного слоя и много меньше толщины диффузного слоя. Через тонкий пограничный слой в акустическом поле значительно более интенсивно проходят процессы диффузии тепла и массы. Вот почему ультразвук интенсифицирует практически все технологические процессы.
В нашей книге к 40-летию кафедры «Судьбу сотворившие» (2002 г., Ростиз-дат) по годам приведены выполненные сотрудниками хоздоговорные работы по , -
ции с помощью ультразвука: дубления кож, бактерицидной обработки пивной та, , растворов, экстракции облепихового масла из жома, коагуляции и осаждения тон, , . -следних работ под руководством профессора Чернова Н.Н. - тепловое разрушение
( ) -
рованного ультразвукового пучка (частота 2,5 МГц, длительность Т =0,5 мкс, интенсивность 1=10^1000 Вт/см2 , диаметр пятна - 2,5 мм, диаметр мозаичного пре-
25 ).
Значительный цикл исследований и работ по внедрению новых технологий нелинейной акустики был посвящен акустической коагуляции и осаждению тонкодисперсных промышлен-( ). иллюстрации на рис. 4 представлены микрофотографии с электронного микроскопа укрупнившихся субмикронных аэрозольных частиц оксидов железа конвертерного производства стали. Их медианный размер меньше длины све-. , -
2,5
400 -
Рис. 3. Диаграмма трансформации акустических течений вблизи кругового цилиндра
145 , -
сяч первоначальных частиц. Нами изучены микро- и макропроцессы акустической .
частиц от влияния гидродинамических полей при вязких режимах обтекания (сто). -ской коагуляции и осаждения 16-ти типов промышленных аэрозолей: дымы ТЭЦ, , , ( ), ( ), фталевый ангидрид (дня лакокраски) и др.
При расчетах изменения счетной концентрации субмикронных аэрозольных частиц в звуковом поле по уравнению диффузии нами используется (см. слайд 9)
коэффициент диффузии в виде
^ак _
кТ(1 + а) (Л , 3 6жг/К
1 + — Яе 16
,где к - постоянная
. -ской наличием двух множителей в скобках. Первый их них (1+1) учитывает изменение подвижности частиц из-за прерывистости среды для частиц с радиусом ме-1 ( ). -противления аэрозольной частицы в мощном звуковом поле при явной несиммет-рии осееновского обтекания при Яе>1 и размерах частиц более 2 мкм. Эти резуль-
таты опубликованы мною в Акустическом журнале АН СССР и в Докладах Парижской Академии наук по представлению академика Р. Люка. Того самого Люка, который с П. Бикаром открыл дифракцию света на ультразвуке, то есть открыл взаимодействие фотонов и фононов. Это нелинейное явление используется профессором В.В. Роздобудько и его коллегами на нашем факультете в блестящей работе по созданию уникальных акусто-оптических приборов.
Акустическая коагуляция необходима как эффективный метод быстрого укрупнения субмикронных аэрозольных частиц для их последующего осаждения в существующих промышленных осадительных аппаратах, особенно в электрофильтрах. Результаты исследований и применения изложены в докторских диссертациях В .И. Тимошенко (1975 г.) и Н.Н. Чернова (2005 г.), а также в монографиях «
звуковом поле» и «Ос^дение и осад-конакопление промышленных дымов» (2004 ., ).
Для промышленного внедрения метода акустической коагуляции на кафедре разработаны комплекты конструкторской документации мощных излучателей звука типа элекросирен большой, средней и малой производительности. На рис. 5 показана фотография сирены большой мощности над электрофильтром Новочеркасской ТЭЦ и двух малых сирен перед циклоном в цехе фталевого ангидрида Таганрогского лакокрасочного .
Рис. 4. Коагуляция субмикронных и наночастиц оксидов железа при конверторном производстве стали
а б
Рис. 5. Акустическое осаждение промышленных дымов а - Новочеркасская ГРЭС; б - Лакокрасочный завод
В последние годы нами проводятся исследования направленной диффузии и осаждения в звуковом поле наноразмерных аэрозольных частиц различных сортов ( , , ). -ния наночастиц в переменном потоке в дыхательном тракте человека при активном и пассивном курении. На рис. 6 видны агрегаты наночастиц дыма сигарет марки «Мшьборо» от пассивного курения. Микрофотографии получены с помо-
- . направленной диффузии таких частиц в переменном потоке и в стационарных условиях. Эти исследования нужны не только для проблемы охраны здоровья человека, но и для бурно развивающихся био- и нанотехнологий.
. б.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. ЗарембоЛ.К., ТимошенкоВ.Н. Нелинейная акустика. - М.: МГУ, 1984. - 104 с.
2. Гидроакустическая энциклопедия / Главный редактор В.И. Тимошенко. - По гранту РФФИ. Таганрог: ТРТУ, 1999. - 788 с., 2-е изд. 2000. - 582 с.
3. Тимошенко В.И., Чернов НМ. Взаимодействие и диффузия частиц в звуковом поле. - Ростов-на-Дону: Ростиздат, 2003.-304 с.
4. . ., . .
дымов. - Ростов-на-Дону: Ростиздат, 2004. - 224 с.
Тимошенко Владимир Иванович
Технологический институт федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южный федеральный университет» в г. Таганроге E-mail: [email protected]
347928, Россия, г. Таганрог, ГСП 17А, Некрасовский, 44 Тел.: 8(8634) 37-17-95 Чернов Николай Николаевич E-mail: [email protected]
Timoshenko Vladimir
Taganrog Institute of Technology - Federal State-Owned Educational Establishment of Higher Vocational Education “Southern Federal University”
E-mail: [email protected]
44, Nekrasovsky, Taganrog, GSP-17a, Russia, Ph.: +7(8634) 37-17-95 Chernov Nicolay E-mail: [email protected]
