ВЫЯВЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНЫХ УСЛОВИЙ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ КАВИТАЦИОННОЙ ОБРАБОТКИ ВЫСОКОВЯЗКИХ И НЕНЬЮТОНОВСКИХ ЖИДКИХ СРЕД Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 534-8

ВЫЯВЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНЫХ УСЛОВИЙ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ КАВИТАЦИОННОЙ ОБРАБОТКИ ВЫСОКОВЯЗКИХ И НЕНЬЮТОНОВСКИХ ЖИДКИХ СРЕД

Р.Н. Голых, В.Н. Хмелёв, А.В. Шалунов, Г.А. Боброва, В.А. Нестеров, Г.А. Титов

В статье представлены результаты теоретических и экспериментальных исследований, направленных на выявление оптимальных условий ультразвукового воздействия (геометрии технологического объёма) для кавитационной обработки высоковязких и неньютоновских жидкостей, получающих все более широкое распространение в промышленности. Разработанная модель формирования кавитационной области позволила выявить распределения кавитационных зон различного типа (зона отсутствия кавитации, зона зарождающейся кавитации, зона развитой кавитации, зона вырождающейся кавитации, зона вырожденной кавитации) в различных по размерам и форме технологических объёмах. Модель учитывает зависимость вязкости жидкости от скорости сдвига и взаимодействие кавитационных пузырьков между собой. Проведённые экспериментальные исследования позволили подтвердить адекватность предложенной модели и возможность увеличения объёма зоны развитой кавитации путём оптимизации условий ультразвукового воздействия. Установлены оптимальные расстояния между границей технологического объема и излучателем, обеспечивающие увеличение объёма зоны развитой кавитации более чем на 50%. Показано, что данные расстояния находятся в диапазоне от 50 до 125 см, и уменьшаются при увеличении вязкости жидкости. Выявленные условия ультразвукового воздействия послужили основой для разработки технологических камер, обеспечивающих повышение эффективности ультразвуковой обработки.

Ключевые слова: ультразвук, колебания, кавитация, вязкость, неньютоновская среда, кавитационные пузырьки, амплитуда, интенсивность, излучатель, стоячая волна.

ВВЕДЕНИЕ

Жидкие и жидкодисперсные среды, характеризующиеся значительной вязкостью (неотверждённые полимерные нанострукту-рированные материалы, лакокрасочные композиционные составы, смолы), получают все более широкое распространение в промышленности. Использование таких сред в качестве сырья позволяет придать уникальные свойства конечному продукту (высокая прочность полимерных композиционных материалов, превышающая прочность стали; биоцид-ные свойства лакокрасочных покрытий; биотоплива, аналогичные по свойствам традиционному бензину и дизельному топливу, на основе целлюлозы и т. д.). Это можно достичь путём модификации физико-химической структуры жидкостей. Многочисленными лабораторными исследованиями [1-3] доказано, что наиболее перспективным способом модификации физико-химической структуры исходных высоковязких жидких или жидкодис-персных сред с целью улучшения свойств и характеристик конечного продукта является УЗ кавитационное воздействие.

Однако, несмотря на положительные результаты лабораторных исследований, УЗ кавитационная обработка высоковязких жидких сред, которые в ряде случае могут быть неньютоновскими (с зависимостью вязкости от скорости сдвига), в промышленности практически не реализована из-за малого объёма и сосредоточенности кавитационной зоны вблизи поверхности УЗ излучателя.

При этом для формирования кавитаци-онной зоны, с объёмом необходимым для промышленной обработки жидкостей, оказываются недостаточными даже интенсивности УЗ колебаний (более 70 Вт/см2), близкие к пределу теоретической прочности волноводов-излучателей. А разработанные на сегодняшний день многозонные рабочие инструменты с развитой поверхностью излучения не обеспечивают решения проблемы сосредоточенности кавитационной зоны вблизи излучающей поверхности. Поэтому наиболее перспективным подходом к увеличению объёма формируемой кавитационной зоны является оптимизация условий УЗ воздействия (геометрии технологического объёма), обеспечивающих возникновение стоячих волн. При образовании стоячих волн происходит сложение

первичном и отражённой волны, что позволяет не менее чем 2-кратно усилить амплитуду УЗ давления (интенсивность УЗ колебаний) во всей области жидкости и, следовательно, увеличить объём зоны развитой кавитации.

Для выявления оптимальных условий УЗ воздействия необходимо решить ряд частных задач:

1. Разработать феноменологическую модель формирования кавитационной области в неньютоновской жидкости, позволяющую определять форму и размеры кавитационных зон в жидкой среде при различных режимах развития кавитации.

2. С использованием разработанной модели определить размеры технологических объёмов, обеспечивающие увеличение объёма формируемой кавитационной области при УЗ обработке жидкостей.

3. Экспериментально исследовать условия формирования кавитационной области для подтверждения полученных теоретических результатов.

Для решения первой задачи была разработана модель формирования кавитационной области в неньютоновской жидкости, которая описана далее.

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

«Строительным» кирпичиком модели ка-витационной области является обобщённое уравнение динамики кавитационного пузырька в неньютоновской жидкости (с учётом её сжимаемости), приведённое в работе исследователей [4-5]:

;d2 R

' dR dR Л2 f dR Л ' dR

i _dL + 3 1 dt = H 1 + -dL +

C 2 dt) 3C C

(1)

f dR Л f dR4

dH R + dt C 1 dt 1 1 + C

C Р,

1 RdJ Р„ C dt

J(r)+Г (r )d;

где г I r, R

dR ' dt

- радиальная компонента

тензора вязких напряжений жидкости, Па, Я -мгновенный радиус кавитационного пузырька, м, Н - энтальпия жидкости, м2/с2, С -локальная скорость звука в жидкости, м/с, р« -равновесная плотность сплошной жидкости, кг/м3, г - расстояние от центра кавитационного пузырька, м.

Функция х | —| определяется тре

' а/

мя характеристиками реологических свойств жидкости: начальная вязкость ^о (Па с), показатели консистенции К (Па-см+1) и нелинейности N. При этом в зависимости от реологических свойств, которые оказывают основное влияние на кавитационный процесс, жидкости подразделяются на линейно-вязкие (вязкость не зависит от скорости сдвига, N=0), псевдопластические (вязкость уменьшается с ростом скорости сдвига, N<0) и дилатантные (вязкость увеличивается с ростом скорости сдвига, N>0).

Предложенный подход к решению уравнения (1), основанный на независимом рассмотрении фаз расширения и схлопывания пузырька, позволяет на первом этапе определить зависимость радиуса пузырька /) от времени t и интенсивности УЗ колебаний /. На следующем этапе с использованием уравнения коалесценции и дробления кавитацион-ных пузырьков [6-8] определяется стационарная концентрация п«(/) и мгновенное объёмное содержание пузырьков #((>1)=(¡^ (/)

в зависимости от времени и интенсивности УЗ колебаний.

На основании полученных данных (объёмное содержание кавитационных пузырьков), производится нахождение распределения ин-тенсивностей на основании решения волнового уравнения (2):

д(л/2С(Х)е'; (2)

+ ^ Г _ Рос^(^¿¿Ще^ = 0

где / - интенсивность УЗ колебаний, Вт/м2,ф -фазовый сдвиг колебаний звукового давления в жидкости, ш - круговая частота первичного УЗ поля, с-1, Со - скорость звука в сплошной жидкости, м/с, ро - равновесная плотность сплошной жидкости, кг/м3, р - плотность кави-тирующей жидкости, кг/м3, С - скорость звука в кавитирующей жидкости, м/с, ¿¡(^12рс1 (х)е-

комплексная амплитуда изменения объёмного содержания кавитационных пузырьков относительно среднего значения, х - радиус-вектор точки жидкости, м.

Распределение интенсивностей УЗ колебаний, найденное на основании уравнения (2) при известной геометрии УЗ излучателя и технологического объёма, позволяет однозначно установить распределение кавитаци-онных зон в объёме обрабатываемой жидкости.

Это достигается путём анализа выявленной функциональной зависимости радиуса кавитационного пузырька от времени t и интенсивности УЗ колебаний /. Далее в зави-

R

симости от поведения кавитационного пузырька с течением времени в каждой точке жидкости (согласно функциональной зависимости R(t,I)) при найденном распределении интенсивностей I(x) устанавливаются формы и положения кавитационных зон в технологическом объёме, соответствующих следующим режимам:

1) режиму отсутствия кавитации, в котором нет схлопывания пузырьков (скорость движения стенок пузырька не превышает скорость звука в сплошной жидкости - 1500 м/с);

2) режиму зарождающейся кавитации

- схлопывание пузырьков происходит с малыми амплитудами давления ударных волн (менее 20105 Па), и ускорение физико-химических процессов в жидкостях под воздействием УЗ является ничтожно малым;

3) режиму развитой кавитации -схлопывание пузырьков происходит с максимальными амплитудами давления ударных волн (20-105...80-105 Па); в качестве критерия режима развитой кавитации принято наличие разрушения алюминиевой фольги толщиной 9 мкм под воздействием кавитации;

4) режиму вырождающейся кавитации

- интенсивность схлопывания пузырьков существенно снижена по сравнению с режимом развитой кавитации, и пузырьки, как правило,

а) 5 Вт/см2

совершают радиальные колебания без схлопывания в течение 2-х периодов первичной УЗ волны и более с момента начального расширения;

5) режиму вырожденной кавитации -схлопывание пузырьков отсутствует, и они совершают радиальные колебания в окрестности большого радиуса (не менее 300 мкм) [9-10].

На рис. 1а-в приведены формы и обозначены размеры кавитационных зон в плоскости симметрии УЗ излучателя, соответствующие пяти выше обозначенным режимам развития кавитации, для различных интенсивностей УЗ воздействия в неограниченном объёме без отражателей. Вязкость модельной жидкости -100 мПас, модельный УЗ излучатель - поршневого типа (диаметр рабочего инструмента -40 мм). Из рис. 1а-в видно, что начиная с 16,25 Вт/см2 для модельной жидкости дальнейшего увеличения зоны развитой кавитации не происходит. Это означает снижение КПД УЗ оборудования при превышении интенсивностью Уз воздействия оптимального значения. Поэтому необходимо создавать условия для оптимального распределения УЗ давления, например путем создания рабочих объёмов с отражающими поверхностями (рис. 1г-Д).

I отсутствие

кавитации

зарождающаяся кавитация

развитая

кавитация

вырождающаяся кавитация

вырожденная кавитация

г) 5 Вт/см2

д) 16,25 Вт/см2

Рисунок 1 - Распределение кавитационых зон в жидкости с вязкостью 100 мПас для различных интенсивностей УЗ воздействия, создаваемых вблизи излучающей поверхности (г -расстояние от акустической оси излучателя, г - протяжённость кавитационной зоны)

Как следует из рис. 1г-д, зона развитой кавитации при наличии отражающей стенки увеличивается более чем на 0,5 см по протяжённости, и значительно увеличивается по ширине (в 1,2...1,3 раза), что свидетельствует о возможности увеличения объёма зоны развитой кавитации в 1,3.1,4 раза за счёт сложения падающей и отражённой волны.

Очевидно, что существует оптимальное расстояние, при котором объём зоны развитой кавитации будет максимальным. Наличие оптимального расстояния объясняется тем, что при малых расстояниях между излучателем и отражающей стенкой становится незначительным и полный объём обрабатываемой жидкости, а при больших расстояниях

(когда распределение кавитационных зон близко к распределению, формируемому при отсутствии отражающей границы) зона развитой кавитации оказывается сосредоточенной вблизи излучающей поверхности (рис. 1а-в). Сосредоточенность зоны развитой кавитации вблизи излучающей поверхности обусловлена высоким коэффициентом поглощения УЗ волн в кавитирующей жидкости, превышающим 20 дБ/м.

На рис. 2а-в приведены зависимости оптимального расстояния от реологических

о" ° 0" -N=-0,1 - - - -N=-0,15

Начальная вязкость, Па-с N=-0,2

а) б)

свойств жидкостей. Наличие оптимального расстояния, при котором полезный объём (в котором присутствует развитая кавитация) максимален, также проиллюстрировано приведенной на рис. 2г зависимостью объёма зоны развитой кавитации от расстояния между излучающей поверхностью и отражающей границей (вязкость модельной жидкости 100 мПас, интенсивность УЗ воздействия - 11,25 Вт/см2).

N=0,15 N—0,1.......N—0,05 отряжаюшей ппверхнлсгыл. 10-* м

в) г)

Рисунок 2 - Зависимости оптимального расстояния между излучающей поверхностью и отражающей границей от показателей, характеризующих реологические свойства жидкостей: а) линейно-вязкие; б) дилатантные; в) псевдопластические; и зависимость объёма зоны развитой

кавитации от расстояния (г)

Рисунок 3 - Экспериментальный стенд для выявления зависимости объёма зон развитой кавитации от расстояния между излучателем и отражающей границей Для подтверждения полученных зависимостей, был проведен ряд экспериментов, заключавшихся в определении объёма формируемой кавитационной зоны в зависимости расстояния между излучателем и отражающей границей.

Экспериментальные исследования проводились с использованием стенда, приведённого на рис. 3.

Экспериментальное определение объёма зоны развитой кавитации производилось на основании оценки эрозионной активности кавитационной области по разрушению тестовых образцов алюминиевой фольги (толщиной 9 мкм).

Полученные экспериментальные зависимости объёма зоны развитой кавитации от расстояния между излучающей поверхностью и отражающей границей для различных по вязкости жидкостей приведены на рис. 4. А полученные экспериментальные значения максимально достигаемого объёма зоны развитой кавитации и оптимальных расстояний между излучателем и отражающей поверхностью для различных по реологическим свойствам жидкостей сведены в табл. 1.

Полученные результаты (рис. 4, табл.1) подтверждают возможность увеличения объёма зоны развитой кавитации до 52% (например, для эпоксидной смолы ЭД-5 с начальной вязкостью не менее 0,8 Пас) путём оптимизации расстояния между излучателем

0,06

° s 3 0,05

ч 0,04

40 70 100 130 160 Расстояние между излучателем и

отражающей поверхностью, мм

а) вода (вязкость 1 мПас, интенсивность УЗ воздействия 3 Вт/см2)

О я

0,04 "s 0,03 5 0,02

40 70 100 130 160 Расстояние между излучателем и

отражающей поверхностью, мм

б) масло (100 мПас, 7,5 Вт/см2)

S S я

:0 «

£ О

ю н ° S3

0,035 0,03 0,025

а 0,02

= 0,015

40 70 100 130 160 Расстояние между излучателем и отражающей поверхностью, мм

в) эпоксидная смола ЭД-20 (начальная вязкость 520 мПас, показатель консистенции К=3,9 Пасм, показатель нелинейности N=-0,15, интенсивность 25 Вт/см2)

Рисунок 4 - Зависимости объёма зоны развитой кавитации от расстояния между излучателем и

отражающей границей для различных жидкостей

Таблица 1. Экспериментальные значения объёмов зоны развитой кавитации и оптимальных _расстояний между излучателем и отражающей поверхностью_

Наименование Экспериментальные зна- Значения оптимальных расстояний между излуча-

жидкости чения объёма зоны разви- ющей поверхностью и отражающей границей

той кавитации, 10-3 м3

При оптималь- Без отра- Экспериментальные, Теоретические, Относительная

ном расстоянии жателя Le, 10-3 м Lt, погрешность,

между излучателем и отра- 10-3 м |Lt- -Le|100/Le, %

жателем

Вода 0,062576 0,057227 123 120 2,5

Масло 0,04044 0,0319 102 90 13,3

Эпоксидная смола ЭД-5 0,032212 0,021382 69 60 15

и отражающей границей при неизменной интенсивности воздействия. При этом согласно табл. 1 погрешность между теоретическими и экспериментальными значениями оптимального расстояния не превышает 15%, что свидетельствует об адекватности предложенной модели.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, предложенная модель формирования кавитационной области позволила исследовать влияние условий распространения и отражения УЗ колебаний на совокупный объём, занимаемый зоной наиболее эффективного кавитационного воздействия, и разработать конструкции технологических камер, обеспечивающих повышение эффективности УЗ обработки. Модель позволила установить оптимальные расстояния между границей технологического объема и излучателем, обеспечивающие увеличение объёма зоны развитой кавитации более чем на 50%. Показано, что оптимальные расстояния находятся в диапазоне от 50 до

125 см, и уменьшаются при увеличении вязкости жидкости.

Проведённые экспериментальные исследования подтвердили адекватность предложенной модели формирования кавитаци-онной области и возможность увеличения объёма зоны развитой кавитации путём оптимизации расстояния между излучающей поверхностью и отражающей границей.

Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ и Администрации Алтайского края в рамках научного проекта 1708-220053 "Физико-химические основы кавитационной интенсификации процессов получения биотоплива" р_а.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Huang, Y.D. Influence of ultrasonic treatment on the characteristics of epoxy resin and the interfacial property of its carbon fiber composites [Текст] / Y.D. Huang, L. Liu, J.H. Qiu, L. Shao // Composit. Sci. Techn. 2002. - Vol.62. - P.2153.

2. Низина, Т.А.. Оптимизация свойств нано-модифицированных эпоксидных композиционных материалов [Текст] / Т.А. Низина, П.А. Кисляков //

Строительные материалы. - №9. - 2009. - с.78-80.

3. Time, R.W. Cavitation Bubble Regimes in Polymers and Viscous Fluids [Текст] / R.W. Time, А. Н. Rabenjafimanantsoa // Annual transactions of the Nordic rheology society. - 2011. - Vol. 19. - 12 p.

4. Brujan, E.A. Bubble dynamics and cavitation in non-newtonian liquids [Текст] / E.A.Brujan, P.R. Williams // Reology reviews. - The British Society of Rheology, 2005. - pp. 147-172.

5. Bretz, N. Numerical simulation of ultrasonic waves in cavitating fluids with special consideration of ultrasonic cleaning [Текст] / N. Bretz, J. Strobel, M. Kaltenbacher, R. Lerch // IEEE Ultrasonics Symposium, 2005. - pp. 703-706.

6. Хмелев, В. Н. Повышение эффективности ультразвукового воздействия на гетерогенные системы с несущей жидкой фазой высокой вязкости [Текст] / В. Н. Хмелев, Р.Н. Голых, А.В.Шалунов, С.С.Хмелев // Электронный журнал «Юж.-Сиб. научный вестник». - Бийск: БТИ АлтГТУ. - 2013. - №2. - C. 10-15.

7. Khmelev, V.N. Determination of ultrasonic effect mode providing formation of cavitation area in high-viscous and non-newtonian liquids [Text] // V.N. Khemelev, R.N. Golykh, A.V. Shalunov, K.A. Karza-kova/ 15th International Conference of Young Specialist on Mi-cro/Nanotechnologies and Electron Devices EDM'2014: Con-ference Proceedings. - Novosibirsk: NSTU, 2015. - P. 203-207.

8. Хмелев, В.Н. Выявление режимов ультразвукового воздействия, обеспечивающих формирование кавитационной области в высоковязких и неньютоновских жидкостях [Текст] //В.Н. Хмелев,

A.В. Шалунов, Р.Н. Голых, С.С. Хмелев /ЮжноСибирский научный вестник. - 2014. - №1(5). - С. 22-27.7.

9. Хмелёв, В.Н // Исследование процесса взаимодействия кавитационных пузырьков с границей раздела «жидкость-газ» для выявления режимов, обеспечивающих максимальное увеличение поверхности контакта фаз [Текст] //

B.Н. Хмелев, Р.Н. Голых, А.В. Шалунов, В.А. Нестеров, А.В. Шалунова, Е.В. Ильченко / Научно-технический вестник Поволжья. 2014. № 6. С. 362364.

10. Голых, Р.Н. Ультразвук для ЛКМ. Моделирование процесса формирования кавитационной области в вязких жидкостях для определения оптимального обрабатываемого технологического объема и режимов акустического воздействия [Текст] / Р.Н. Голых, В.Н. Хмелёв, С.С. Хмелёв, Р.В. Барсуков, А.В.Шалунов // Экспертный журнал «Очистка. Окраска». - 2011. -№3(46). - С.52-54.

Голых Роман Николаевич - инженер-программист, кандидат технических наук, ООО "Центр ультразвуковых технологий АлтГТУ", тел. (3854)432570, e-mail:grn@bti. secna.ru.

Хмелев Владимир Николаевич -

директор по научной работе, доктор технических наук, ООО "Центр ультразвуковых технологий АлтГТУ", тел. (3854)432581, e-mail:vnh@bti.secna.ru.

Шалунов Андрей Викторович - заместитель директора по научной работе, доктор технических наук, ООО "Центр ультразвуковых технологий АлтГТУ", тел. (3854)432570, e-mail:shalunov@bti. secna.ru.

Боброва Галина Алексеевна - инженер ОУРиМКО, Бийский технологический институт (филиал) ФГБОУ ВО АлтГТУ, тел. (3854)435319, e-mail:

bobrova. ga@bti. secna.ru.

Нестеров Виктор Александрович -

главный конструктор, канд.техн.наук, ООО "Центр ультразвуковых технологий АлтГТУ", тел. (3854)432570,e-mail: nva@bti. secna.ru.

Титов Геннадий Андреевич - инженер-конструктор, ООО "Центр ультразвуковых технологий АлтГТУ", тел. (3854)432570, e-mail:titov.ga@bti.secna.ru