ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Динамика одиночного газового пузырька в акустическом поле из "Введение в физическую акустику " Мощное звуковое поле в жидкости порождает маленькие паро газовые пузырьки, которые под действием этого поля могут расти захлопываться и вызывать такие эффекты, как химические реакции, эрозия, звуколюминесценция и излучение звука (шума) в широкой полосе частот. Эти эффекты характеризуют физическое явление, называемое акустической кавитацией. Гидродинамическая кавитация, или образование и захлопывание парогазовых пузырьков (полостей), или образование разрывов в жидкости в местах локального понижения давления при обтекании тел, течений в трубах, в кильватерной струе и т. д., отличается только способом возбуждения и имеет много общего с явлением акустической кавитации. [c.138] Важность исследования кавитации была понята в начале нашего века, когда судостроители столкнулись с быстрым разрушением корабельных винтов из-за кавитационной эрозии. Первое математическое описание поведения кавитационной полости в жидкости было дано Рэлеем в 1917 г. [1]. Предложенная им модель сферической пустой полости, захлопывающейся в несжимаемой жидкости, помогла частично понять эрозионное действие кавитационных пузырьков. Дальнейшие исследования акустической кавитации были вызваны широким использованием звука и ультразвука в технологических процессах, где кавитация является одним из сильно действующих факторов, а также необходимостью повышения мощности акустических преобразователей в гидроакустике, где кавитация ставит предел максимальной интенсивности звука, излучаемого акустическими антеннами. [c.138] Теория образования, роста и захлопывания газовых пузырьков (газовая кавитация) первоначально развивалась для несжимаемой идеальной жидкости для случая одиночного сферического пузырька. Далее были уточнены уравнения динамики пузырька с учетом ежи-маемости, вязкости и теплопроводности, конечности амплитуды колебаний стенки пузырька. Наконец, в этой теории был произведен учет несферичности колебаний пузырька, в особенности вблизи его резонансных частот и при достаточно больших амплитудах звука. Было показано, что несферичность колебаний и возникновение струек жидкости у захлопывающихся пузырьков, если они находятся вблизи твердой поверхности, является одной из причин кавитационной -эрозии твердых тел. Теоретические исследования далее стали развиваться применительно к динамике паровых пузырьков (паровая кавитация), которая имеет много общего с динамикой газового пузырька, однако имеются и существенные различия. [c.139] Большая часть теоретических работ посвящена теории движения одиночного пузырька, тогда как в экспериментальных исследованиях и приложениях приходится иметь дело главным образом с кавитационной областью, т. е. совокупностью большого числа взаимодействующих пузырьков, различающихся своими размерами. [c.139] Распространение звука в гетерофазных средах, таких, например, как жидкость с пузырьками газа или пара, кавитационная область, кильватерная струя, верхние слои океана, содержащие большое количество газовых пузырьков различного радиуса, криогенная жидкость, содержащая паровые пузырьки, и т. д., отличается особенностями газовые, паровые или парогазовые пузырьки приводят к рассеянию звука, вызывают увеличение поглощения звука и дисперсию. [c.139] Акустическая кавитация и распространение звука в пузырьковой (и вообще гетерофазной) среде представляет собой большую и сложную область исследований, имеющую существенное прикладное значение. В этой главе будут затронуты только основные аспекты акустической кавитации динамика газовых и паровых пузырьков, кавитационная область, кавитационая прочность жидкостей, явления, сопровождающие кавитацию, а также ряд вопросов распространения акустических волн в жидкости с пузырьками. [c.139] Многочисленные экспериментальные и теоретические исследования кавитации в обычной, недегазированной воде привели к выводу о том, что при амплитудах звука, меньших примерно 10 Па, основную роль играют газовые пузырьки, т. е. пузырьки, движение которых определяется внешним акустическим давлением и состоянием газа внутри пузырька. Более подробное рассмотрение кавитации мы начнем с вывода уравнений, описывающих динамику одиночных пузырьков и получения их простейших решений. [c.140] Такие большие давления, которые, согласно упрощенной теории (не учитывается сжимаемость газа в пузырьке, не учитываются потери), должны возникать при захлопывании полости, привели к казавшемуся вначале очевидным объяснению возникающей эрозии корабельных винтов. Однако такое объяснение имеет определенные трудности (см. 4). [c.141] Рассмотрим аналитически линейные решения уравнения (2.9) и обсудим их физический смысл. [c.143] Из полученных формул (2.15) — (2.20) видно, что окончательное решение задачи о поведении пузырька в жидкости под действием звука сводится в конечном счете к нахождению собственной сжимаемости пузырька К . Для нахождения К необходимо привлечь уравнение состояния вещества (газа) и ряд новых уравнений или сделать дополнительные предположения о физическом характере процесса сжатия. В дальнейшем будем считать, что вещество внутри пузырька подчиняется уравнению идеального газа рУ=НТт1 1 и рассмотрим вначале ряд предельных случаев при а = 0. [c.144] Затухание колебаний пузырька происходит за счет теплопроводности газа (тепловые потери), вязкости жидкости и за счет акустического переизлучения (радиационные потери). Приведенные соотношения позволяют оценить вклад в затухание указанных трех факторов. Так, на частоте 10 кГц для воздушных пузырьков в воде с радиусами в пределах от 0,002 до 0,2 см, т. е. для пузырьков, радиус которых меньше резонансною радиуса, основное влияние оказывает теплопроводность, а для пузырьков, радиус которых больше резонансного,— сжимаемость жидкости, т. е. радиационные потери, вязкие же потери на этой частоте роли практически не играют. [c.145] Поскольку изменение площади поверхности пузырька максимально на резонансе, то и выпрямленная диффузия максимальна при совпадении частоты с резонансной. [c.147] Многочисленные эксперименты [13—15J надежно подтвердили теоретические выводы и выявили ряд дополнительных эффектов, в частности ускорение роста пузырьков при возбуждении на его поверхности капиллярных волн. [c.147] Вернуться к основной статье