CC BY
23
УДК 532.6:534.1
РАСПЫЛЕНИЕ ЖИДКОСТИ С ОТКРЫТОЙ ПОВЕРХНОСТИ
АЛЕКСАНДРОВ В.А.
Институт прикладной механики УрО РАН, Ижевск, Россия, ava@udman.ru
АННОТАЦИЯ. Исследовано явление распыления жидкости с открытой поверхности тонким упругим стержнем с одним свободным концом при резонансных изгибных колебаниях. При наличии загнутого участка на конце стержня производительность распыления жидкости существенно увеличивается и распыление может сопровождаться с образованием струи жидкости. Результаты исследований могут быть использованы для разработки стержневых распылителей простой конструкции.
ВВЕДЕНИЕ
Распыление жидкости как технологический процесс находит применение в различных областях техники, электронной технологии, биологии, химии, медицине и научных исследованиях. В связи с этим разработка новых технологий распыления является актуальной задачей.
Известно, что для распыления различных жидкостей используются механические колебания звуковой и ультразвуковой частоты [1]. Различают методы распыления в слое и в фонтане. Механизм распыления жидкостей в слое заключается в том, что на поверхности жидкости, покрывающей тонким слоем колеблющуюся поверхность концентратора распыляющего устройства, образуются стоячие капиллярные волны длиной
Xк = фкоп/Р/2 , (1)
где оп - коэффициент поверхностного натяжения, р - плотность жидкости, / - частота колебаний. При определенных условиях происходит отрыв капель жидкости с гребней этих волн, диаметр капель аэрозоля при этом составляет
d = (0,3 - 0,4)Хк . (2)
Распыление в слое осуществляется при колебаниях с частотой в десятки килогерц, диаметр капель составляет десятки микрометров. При распылении в слое жидкость поступает на колеблющуюся поверхность обычно через осевой канал концентратора, производительность распыления достигает нескольких литров в час.
При распылении в фонтане стоячие капиллярные волны возбуждаются на поверхности струи, возникающей в месте пучка ультразвуковых волн, направленного из глубины. Капиллярные волны возникают при наличии кавитации в струе, так как причиной их возбуждения являются периодические гидравлические удары при захлопывании кавитационных пузырьков. Для создания ультразвукового фонтана используются частоты мегагерцового диапазона. В устройствах для распыления в фонтане пьезоэлектрические преобразователи имеют непосредственный контакт с распыляемой жидкостью или используется промежуточная жидкость. По этому для распыления химически агрессивных веществ, высокотемпературных жидкостей или расплавов металлов более подходящим является способ распыления в слое.
К одним из способов распыления в слое можно отнести распыление жидкости с ее открытой поверхности. Необходимую для распыления механическую энергию участку поверхности жидкости при этом можно сообщить с помощью инструмента, рабочая часть которого периодически соприкасается с этой поверхностью. При этом происходит
смачивание части поверхности инструмента жидкостью, а при сообщении движения рабочей части инструмента - увлечение слоя жидкости тонким слоем с последующим распылением.
Распыление различных жидкостей с открытой поверхности нами было продемонстрировано с помощью металлической струны, возбуждаемой пьезоэлектрическим преобразователем [2-4]. Вибрационно-волновое транспортирование и распыление жидкости струной наблюдается при частичном погружении струны в жидкость на определенную глубину и при подаче на пьезоэлектрический преобразователь электрического напряжения с частотой равной резонансной частоте струны (рис. 1). Распыление жидкости струной происходит в пучностях стоячей поперечной волны в струне, а также на поверхности жидкости в зазоре между струной и корпусом, где возбуждаются стоячие капиллярные волны (рис.2). Производительность распыления воды устройства со струной при потребляемой мощности 0,6 Вт на частоте 4 кГц составила 300 мл/час. Эти исследования указывают, что для распыления жидкости можно использовать также упругие стержни, при вибрациях которых возможно получение колебаний значительно большой амплитуды по сравнению с амплитудой поперечных колебаний струны.
Целью настоящей работы являлось исследование распыления жидкости тонким упругим стержнем с одним свободным концом при резонансных изгибных колебаниях.
Рис. 1. Распыление струной воды, бензина и трансформаторного масла
Рис. 2. Возбуждение струной капиллярных волн на поверхности воды и трансформаторного масла
ДВИЖЕНИЕ СВОБОДНОГО КОНЦА СТЕРЖНЯ ПРИ ЕГО ВЗАИМНО ПЕРПЕНДИКУЛЯРНЫХ КОЛЕБАНИЯХ
В стержнях с одним свободным концом возможно возбуждение резонансных изгибных колебаний не только в одной плоскости, но и во взаимно перпендикулярных направлениях [5]. В случае взаимно перпендикулярных изгибных колебаний стержня одинаковой частоты с разностью фаз АФ = я/ 2 в плоскости, перпендикулярной оси стержня OX, колебания свободного конца стержня можно записать в виде выражений
y = А y sin rat и z = А zsin(rat + я/ 2), (3)
где Ay, Az - амплитуды и ra - частота колебаний. Конец стержня за период колебаний
описывает собой эллипс, его скорость и центростремительное ускорение имеют выражения, соответственно
v = ra^Ay cos2 rat + Az2 sin2 rat и (4)
v2/R = ra2 (a; cos2 rat + Az2 sin2 ratAy sin2 rat + Az2 cos2 rat, (5)
максимумы и минимумы которого соответствует моментам времени, когда rat = nя/2; n=0, 1, 2, ... Ясно, что максимальное значение центростремительного ускорения соответствует моменту времени, когда конец стержня достигает максимального отклонения по той оси, где амплитуда колебаний имеет меньшее значение, а его скорость - наибольшее. Так как при этом движение происходит по эллиптической траектории, то на конце стержня возникает центробежная сила инерции, пропорциональная центростремительному ускорению. В частном случае, когда амплитуды колебаний равны Ay = Az, движение конца стержня
происходит по окружности.
Возможен и другой случай возбуждения в стержне взаимно перпендикулярных колебаний, когда вместе с возбуждаемыми с одного конца продольными колебаниями стержень совершает и изгибные колебания. Последние могут возбуждаться в стержне из-за его остаточной кривизны или наличия несимметрично прикрепленной массы на свободном конце. Тогда траектория движения конца стержня представляет собой дугу эллипса, которую при малых углах колебаний практически можно считать дугой окружности. Положение конца стержня по дуге окружности изменяется по закону
S = r90 sin rat, (6)
где r - радиус окружности, 90 - амплитуда угла смещения, ra - частота колебаний. Скорость движения конца стержня
dS/dt = rar90 cos rat (7)
максимальна в момент прохождения положения равновесия, а центростремительное ускорение изменяется по закону
v2/R = (ra2 r02/2)(l + cos 2rat). (8)
Можно заметить, что это ускорение является пульсирующей с удвоенной частотой изгибных колебаний стержня. В связи с этим, по такому же закону изменяются центробежные ускорение и сила инерции свободного конца стержня.
Этим закономерностям движения конца стержня может подчиняться и движение слоя жидкости на поверхности стержня, соприкасающегося со свободной поверхностью жидкости. Однако из-за слабой связи жидкости с поверхностью стержня при достаточно больших значениях амплитуды колебательной скорости конца стержня возможен отрыв слоя жидкости от поверхности из-за возникновения больших сил инерции слоя жидкости. Это может привести к явлению вибрационного распыления жидкости тонким стержнем.
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ СВОБОДНОГО КОНЦА СТЕРЖНЯ С ПОВЕРХНОСТЬЮ ЖИДКОСТИ ПРИ ВОЗБУЖДЕНИИ В СТЕРЖНЕ ВЗАИМНО ПЕРПЕНДИКУЛЯРНЫХ КОЛЕБАНИЙ
Для возбуждения взаимно перпендикулярных изгибных колебаний тонкого стержня в качестве электромеханического преобразователя использовался телефон капсюльный ТА-56м. Для этого в центре крышки телефона разделывалось отверстие, а стержень диаметром 0,5 и длиной 30 мм припаивался в центре мембраны. При подаче на катушку телефона электрического напряжения определенной частоты наблюдается резонансное возбуждение изгибных колебаний стержня, при котором амплитуда колебаний свободного конца стержня достигает 3 мм (рис. 3а). Причем измерения частоты колебаний стержня оптическим методом [6] показали, что в условиях резонанса частота электрического напряжения, подаваемого на катушку телефона, является кратной частоте колебаний стержня. В наших экспериментах возбуждение взаимно перпендикулярных колебаний стержня частотой 376 Гц наблюдали при подаче электрического напряжения на устройство с частотами 96, 128, 190 и 376 Гц. Максимальная амплитуда колебаний стержня достигается при равенстве этих частот. При подведении свободного конца стержня, совершающего взаимно перпендикулярные изгибные колебания, к открытой поверхности жидкости происходит периодическое погружение конца стержня в жидкость и увлечение слоя жидкости с последующим распылением (рис. 3б). Приобретаемая при этом скорость слоя жидкости на конце стержня составляет около 4м/с. При потребляемой мощности данного устройства 1,2Вт производительность распыления воды тонким стержнем составила 200 мл/час, этилового спирта - 400мл/час. Эксперименты указывают, что отрыв слоя жидкости происходит на участке траектории конца стержня, соответствующем моменту времени, когда скорость конца стержня максимальна. Направление вращательного движения конца стержня можно определить по направлению вращения металлического кольца на поверхности воды, удерживаемого на ней силами поверхностного натяжения при подведении конца вибрирующего стержня к поверхности жидкости внутри кольца (рис. 3в) или вблизи внешнего края кольца. Вращение кольца обуславливается течением поверхности жидкости, создаваемым вибрирующим концом стержня.
Рис.3. Движение конца стержня при возбуждении взаимно перпендикулярных изгибных колебаний (а), распыление жидкости стержнем (б) и вращение кольца на поверхности жидкости (в).
Для исследований взаимодействия жидкости и стержня, совершающего одновременно продольные и изгибные колебания, использовался тонкий металлический стержень диаметром 0=0,62 и длиной около £~60мм. Одним из концов он припаивался к пьезопреобразователю ЗП-4, на который подавалось переменное напряжение амплитудой до
30В от генератора звуковой частоты. Другой конец стержня подводился к открытой поверхности воды, при котором участок конца стержня смачивался тонким слоем воды. Возбуждение колебаний такого стержня приводило к наблюдению возникновения малозаметного мелкодисперсного распыления воды концом стержня при частоте 3,4кГц. Более заметное распыление наблюдалось при использовании маловязких жидкостей, таких как бензин, керосин, этиловый спирт, причем распыление происходило также в пучности изгибных колебаний стержня.
Изгиб участка конца стержня длиной 5-8шш под прямым углом к оси стержня привел к обнаружению явления интенсивного распыления жидкости при взаимодействии стержня в месте его изгиба с поверхностью жидкости и возбуждении стержня вблизи частоты 2,2 кГц (рис.4а). При приближении непосредственно конца стержня к поверхности жидкости вместе с распылением образуется струя жидкости, исходящая от конца стержня. Эти явления более интенсивно возникают при взаимодействии стержня с бензином, керосином и спиртом. Фотографирование струи жидкости показало, что струя представляет собой последовательный поток отдельных крупных частиц жидкости, размеры которых соизмеримы с диаметром стержня (рис. 4б). Струя жидкости может подниматься на высоту до 100мм.
Рис. 4. Распыление жидкости стержнем с загнутым концом (а), струя жидкости, исходящая от загнутого конца стержня (б).
При потребляемой мощности пьезоэлектрического преобразователя 0,2 Вт производительность распыления стержнем воды, бензина и этилового спирта составляет, соответственно, 600, 1000 и 1200мл/час.
Наблюдаемые явления объясняются тем, что наличие несимметрично прикрепленной массы на конце стержня в виде загнутой под прямым углом части конца стержня приводит к возбуждению резонансных изгибных колебаний стержня, при котором эта часть конца стержня совершает вибрации преимущественно в продольном направлении к основной части стержня. При наличии слоя жидкости на поверхности вибрирующего элемента стержня, во-первых, в слое жидкости возбуждаются стоячие капиллярные волны, что приводит к распылению жидкости и, во-вторых, слой жидкости непосредственно на конце стержня может выбрасываться за каждый период колебаний стержня, образуя струю.
В целом, явления распыления жидкости с открытой поверхности тонким стержнем связаны с возникновением центробежных сил инерции слоя жидкости на поверхности вибрирующего конца стержня. Это подтверждается наблюдением аналогичных явлений движения и распыления слоя жидкости с использованием вращающегося металлического диска. При соприкосновении с поверхностью жидкости край диска смачивается тонким слоем жидкости, который приходит во вращательное движение вместе с диском. При определенной частоте вращения слой жидкости отрывается от края диска и взаимодействуя с
воздухом распадается на мелкие частицы (рис. 5а). Наличие пограничного слоя жидкости на поверхности диска и вязкость самой жидкости приводят также к образованию течения жидкости. Тормозящее действие самой жидкости на поверхностное течение приводит к возникновению фонтана, расположенного рядом с диском (рис. 5б). Струя жидкости в фонтане также распадается, но при этом образуются крупные капли жидкости (рис. 5в).
Рис. 5. Распыление жидкости вращающимся диском (а), возникновение фонтана (б) и
распад струи на отдельные капли (в).
ВЫВОДЫ
Таким образом, распыление жидкости с открытой поверхности может осуществляться резонансно возбужденными тонкими стержнями. Результаты проведенных исследований указывают на возможность разработки простых конструкций стержневых распылителей различных жидкостей и суспензий.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ультразвук. Маленькая энциклопедия. Глав. ред. И.П.Голямина. М.: Советская энциклопедия, 1979. 400 с.
2. Александров В.А. Волновое распыление жидкости струной // Письма в ЖТФ. 2003. Т.29, вып.10. С.88-94.
3. Александров В.А., Михеев Г.М. Распылитель жидкости. - Патент РФ на изобретение №2234381, В05В 17/06, 12.08.2002, Бюл. № 23. 20.08.2004.
4. Липанов А.М., Михеев Г.М., Александров В.А. Пьезоэлектрический струнный распылитель жидкости. -Ижевск, 2006. 17с. Деп. в ВИНИТИ 14.08.2006, №1064-В2006.
5. Вибрации в технике. Справочник в 6 томах. Т.1. Под ред. академика РАН В.В.Болотина. М.: Машиностроение, 1999. 504 с.
6. Александров В.А., Михеев Г. М. Влияние поперечных колебаний на вибрационное транспортирование пьезоэлемента по струне // Письма в ЖТФ. 2004. Т.30, вып.13. С.71-76.
7. Александров В.А. Вибрационное распыление жидкости тонким стержнем // Письма в ЖТФ. 2008.Т.34, вып.3. С.21-26.
SUMMARY. A liquid atomization phenomenon from open surface has been investigated using a thin elastic rod with one free end by the resonance bending vibrations. The capacity of the liquid atomization increase appreciably and the atomization can be accompanied with initiation of liquid jet by the availability of the winding part on the rod end. The results of this investigations can be used for designing of the rod atomizers that have simple construction.
