Скорость звука в жидкости с пузырьками газа

Скорость звука в жидкости с пузырьками газа 21 Случайно-модулированная волна 55 Спектр шумовой волны 52 Стационарная ударная волна 44 [c.233]

Вычислим скорость распространения звука в жидкости с пузырьками газа. Ввиду того, что плотность смеси велика, а упругость обеспечивается упругостью воздушных пузырьков, скорость распространения звука в смеси должна быть низкой. Тогда, если и при распространении звуковой волны в смеси происходит идеальный теплообмен, то можно считать температуру практически постоянной. В этом случае давление и плотность смеси связаны уравнением (8.14). Если же при распространении звуковой волны теплообмен между пузырьками газа и жидкостью не успевает произойти, то для газа в пузырьках справедливо уравнение изо- [c.204]

Таким образом, волна уплотнения движется относительно невозмущенной среды перед волной со скоростью большей, чем равновесная скорость звука Се, которая равна фазовой скорости распространения слабых гармонических возмуш,ений С (со), имеющих частоту со-> О (см. (6.2.12)). Полученное выражение для С, в жидкости с пузырьками совпадает с формулой (4.2.20) для газа с каплями, если учесть, что эффективный показатель адиабаты смеси жидкости с пузырьками 1. Это совпадение связано с тем, что равновесные параметры за стационарной волной не зависят от структуры смеси. [c.37]

Расчетная зависимость фазовой скорости звука от частоты для воды, содержащей пузырьки одинакового размера (/ =10 кгц), показана на рис. 9 [28]. Как видно из кривых (параметр — концентрация в жидкости свободного газа и), фазовая скорость не зависит от частоты и определяется только концентрацией и лишь при / /ц. При частоте звука несколько выше резонансной фазовая скорость превышает с , а при / /о — асимптотически приближается к с . Заметим попутно, что сжимаемость нелинейно-колеблющихся кавитационных пузырьков носит тот же характер, что и для линейно-колеблющихся газовых пузырьков. [c.407]

Разнообразны механизмы самовоздействия звука в жидкостях с пузырьками газа. Появление пузырьков приводит к снижению скорости звука. Если их распределение по сечению пучка неравномерно и концентрация пузырьков в приосевой области более высока, что может быть связано, напр., с развитием кавитации, то скорость звука в центр, части пучка снижается и пучок фокусируется. Процесс самовоздействия звука может развиться и при равномерном распределении пузырьков в жидкости, т. к. вследствие сильной нелинейности такой среды в ней наблюдается не только различие в скоростях перемещения разных точек профиля волны, но и скорость переноса волны как целого оказывается зависящей от амплитуды. Это приводит, в силу неравномерности распределения амплитуды звука по радиусу пучка, к самофокусировке (если скорость звука падает с ростом амплитуды) или к самодефокуси-ровке (в обратном случае). [c.290]

При распространении звука в жидкостях и газах влияние дисперсии чаще всего не существенно и все коллиееарио распространяющиеся волны оказываются в резонансе. Если же дисперсия скорости звука существенна, как, напр., в жидкости с пузырьками газа или в нек-рых твёрдых телах, то для определения условий резонансного взаимодействия пользуются м е-тодом дисперсионнных диаграмм. В простейшем случае коллинеарного взаимодействия волн для каждой из них строится дисперсионная характеристика Шг( 1) (где I = 1, 2, 3), к-рая представляет кривую (рис. 5) (или прямую — при отсутствии дисперсии). Наклон вектора, проведённого из начала координат О в точку, лежащую на дисперсионной характеристике, определяет фазовую скорость волны с данной частотой. Каждой из взаимодействующих волн ставится в соответствие [c.290]

В гидравлическ1 х машинах (гидротурбины, гидропередачи, насосы) реализуются пространственные движения жидкостей с относительно большими скоростями, возникает сложное явление кавитации, когда внутри жидкости образуются области с газообразной фазой. При кавитации в жидкости возникают газовые или паровые пузырьки, резко изменяющие основное ее свойство — слабую сжимаемость. В жидкости с пузырьками газов или пара активно проявляется сжимаемость, резко уменьшается скорость звука. [c.8]

Таким образом, описание движения смеси жидкости с пузырьками газа, когда пренебрегается инерцией жидкости в мелкомасштабном движении вокруг пузырьков и тепловыми эффектами, соответствует вязкоупругой среде с замороженной или динамической скоростью звука С/ п объемной вязкостью определяемыми физическими свойствами жидкости ( i, jii) и текущей объемной концентрацией пузырьков аа. Кроме указанных величин, свойства такой среды зависят от исходной плотности жидкости рю, исходной объемной концентрации пузырьков азо и их исходного размера ад. Уравнения, близкие к (1.5.21), для описания трехфазных сред (грунт, жидкость, пузырьки газа) были предложены Г. М. Ляховым (1982). [c.107]

Результаты сравнения изменения давления по времени при движении ударной волны в воде и в смеси жидкости с пузырьками газа, полученные на описанной выше экспериментальной трубе, приведены в [13]. Из анализа, приведенного в этой работе, следует, что волна давления, распространяющаяся в жидкости при отсутстии пузырьков воздуха, является акустической и распространяется со скоростью, равной скорости звука в воде (примерно 1400 м/с), как в прямом, так и в обратном (отраженная волна) направлении. С введением незначительного по объему количества газа резко снижается скорость распространения прямой волны. За фронтом волны наблюдается интенсивный осцилляционный процесс, вызванный дисперсией и диссипацией энергии, который с течением времени затухает. Распространение отраженной ударной волны в пузырьковой смеси существенно отличается от распространения волны давления в жидкости, не содержащей пузырьков газа. Существенно возрастает амшгитуда отраженной волны по сравнению с прямой. В несколько раз возрастает и скорость распространения обратной волны по сравнению с прямой. Для безразмерной скорости распространения волны давления в газожидкостной среде однородной пузырьковой структуры в [76] получена следующая зависимость ее от отношения давления Pi во фронте волны к его значению ро в невозмущенной части среды [c.38]

Кроме того, существенным недостатком всех существующих моделей для анализа динамических свойств газожидкостной смеси при рассмотрении в ней ударных волн является допущение о несжимаемости несущей фазы. При обосновании этого допущения исходят из следующих оценок. Считается допущение оправданным, если объемная доля пузырьков в смеси Р много больше объемной доли сжимаемой части жидкости /3(,. Эту последнюю в [35] определяют из соотношения для изотермической скорости звука в жидкости /3 = Ро/Рж ж- ри нормальных условиях величина j3(, 10 ". На этом основании при объемном содержании пузырьков /3 > 0,01 допущение о несжимаемости считается оррав-данным. Однако при давлениях Ро > Ю МПа, что имеет место в реакторном контуре атомных энергоустановок, по той же оценке 3 > 0,01. Кроме того, при рассмотрении умеренной ударной волны, в которой Pi/Po 10. по той же оценке (3 , во фронте волны на порядок увеличи-ваетсятг /3 из-за сжатия пузырей примерно на порядок уменьшается, тогда Р 10" . В действительности, как будет показано в следующей главе, с увеличением температуры и давления жидкости объемная доля сжимаемой части жидкости существенно возрастает. Так, при р = 15 МПа и t = 300 "С величина /3 = 0,1. Ограниченность возможности анализа закономерности распространения ударных волн в жидкости с помощью модели, предполагающей отсутствие сжимаемости, стала очевидной при рассмотрении парожидкостных смесей и газожидкостных смесей, содержащих в пузырьках растворимый газ. В [8] описаны результаты экспериментов по распространению ударной волны в воде, содержащей пу-зырькиС02. На рис. 2.9 показано изменение давления во фронте волны и скорости ее распространения по мере перемещения фронта по ударной трубе от верхнего к нижнему ее концу, а на рис. 2.10— относитель- [c.46]

Такие модели сред (берущие начало в газодинамике) действительно применимы к описанию нелинейных волн во многих газах, жидкостях и твердых телах. Вместе с тем хорошо известны среды с внутренней структурой - жидкость с пузырьками газа, твердые тела с дислокациями, микротрещинами, зернистой структурой и другие, свойства которых характеризуются сложной истотной зависимостью скорости звука и потерь, а нередко и неклассическим характером нелинейности, когда зависимость напряжение-деформация отнюдь не сводится к квадратичной аппроксимации. Различные модели таких сред давно изучаются в связи с задачами теплофизики, теории упругости, механики разрушения, диагностики дефектов и тд., но нелинейные волновые процессы в них, особенно в акустическом аспекте, изучались относительно мало. [c.6]

Аналогичны характер имеет зависимость с от 0) при распространении звука в жидкости с газовыми пузырьками. В этом случае относительная разность скорости на высоких и низких частотах, т. е. величина дисиер-сии Ас/Со, зависит от концентрации пузырьков газа и от их радиуса, а резонансная частота пузырьков — от их радиуса и гидростатич. давления. [c.123]

Снижение собственной частоты колебаний жидкости в трубопроводе при впрыске в него газа возникает вследствие снижения скорости звука в жидкости, обусловленного податливостью газовых пузырьков. Расчеты и экспериментальные исследования показали, что даже незначительный расход газа обеспечивает существенное снижение скорости звука в жидкости. В качестве рабочего газа рассматривались газообразный кислород и гелий. Использование первого оказалось неэффективным вследствие быстрого исчезновения пузырьков кислорода в результате их конденсации. Впрыск гелия в верхней части трубы в количестве 45 г/с оказался достаточным для снижения значения собственной частоты первого тона колебаний жидкости в трубопроводе до требуемого значения. При этом, однако, всл едствие одновременного снижения значений собственной частоты более высоких тонов колебаний жидкости возникала опасность их совпадения с собственной частотой колебаний корпуса. В связи с этим потребовалось создание такой системы регулирования подачи гелия, которая обеспечивала бы безопасную ьеличину значений собственных частот колебаний всех тонов колебаний жидкости. Сложность решения этой задачи заставила разработчиков отказаться от. указанного способа стабилизации изделия. [c.120]

Минимум скорости звука соответствует объемной концентрации газа а = 1/2. Для воды с пузырьками воздуха при обычных условиях давления р = 1 бар) этот минимум равен 20 м/с, т. е. примерно в 17 раз меньше скорости звука в воздухе (340 м/с) и в 75 раз меньше скорости звука в воде (1500 м/с). Суш,ественное отличие (а = 50 м/с) сохраняется и при 4% объемной концентрации воздуха. В цитированном обзоре Вийнгардена можно найти обобш,ения вышеуказанных формул скорости звука в газожидкостных средах, учитываюш,их разность скоростей жидкости и пузырьков газа, влияние неизотермичности процесса сжатия пузырька, наличия вязкости жидкости, частоты звуковых колебаний и других физических деталей процесса. Там Hie изложен метод расчета одномерного газожидкостного потока в сопле Лаваля и вопрос о распространении в газожидкостных сМесях возмуш,ений конечной интенсивности ). [c.106]

Рассмотрим зоны пузырьковой кавитации. Скорость звука 0 завист от объема пузырьков газа. При весьма малой концентрации пузырьков влияние их на скорость звука не проявляется. Однако это влияние быстро возрастает с ростом газосодержания и при значениях порядка 1 % объема смеси скорость звука может упасть до 20—50 м/с. При дальнейшем росте объема газа почти не меняется вплоть до полного вытеснения жидкости из смеси. Тогда скорость звука начинает быстро увеличиваться до значения скорости звука в газе [49, 199]. Сказанное позволяет предположить, что в значительных пределах изменения объемного содержания газового компонента [c.33]

Здесь г - время, х - пространственная координата, tJ - время тепловой релаксации, р - давление, р - плотность, / - радиус пузырька, у - показатель адиабаты газа, ц и - коэффициенты вязкости жидкости и температуропроводности газа, со, и ю, -приведенные изотермическая и адиабатическая резонансные частоты Миннаерта, Ро - объемное газосодержание, в силу малости которого Р) = ро, Nu - число Нуссельта, задающее интенсивность межфазного теплообмена и определяющееся, как будет показано ниже, в процессе решения задач. Индексы О и 1.2 отнесены соответственно к состоянию покоя (полного термодинамического равновесия) и параметрам жидкой и газовой фаз, а е и/ - к предельным режимам изотермического и адиабатического поведения газа в пузырьках. Скорость звука До в зависимости от режима совпадает либо с изотермической а , либо с адиабатической скоростью звука в смеси. Поправочный коэффициент фу характеризует неодиночность пузырька в жидкости [2]. [c.111]

Пусть фаза I — жидкость, а фаза 2 — пар последний рассматриваем как. идеальный газ, а удельным объемом Vi можно пренебречь по сравнению с Уг-Ёсли X < 1 (жидкость с небольшим количеством пара в виде пузырьков), то для скорости звука получается [c.355]

Др. особенность У.—возможность получения большой интенсивности даже при сравнительно небольших амплитудах колебаний, т. к. при данной амплитуде плотность потока энергии пропори, квадрату частоты, УЗ-волны большой интенсивности сопровождаются рядом нелинейных эффектов. Так, для интенсивных плоских УЗ-волн при малом поглощении среды (особенно в жидкостях, твёрдых телах) синусоидальная у излучателя волна превращается по мере её распространения в слабую периодич. ударную волну (пилообразной формы) поглощение таких волн оказывается значительно больше (т. н. нелинейное поглощение), чем волн малой амплитуды. Распространению УЗ-волн в газах и жидкостях сопутствует движение среды, т. н. акустическое течение, скорость к-рого зависит от вязкости среды, интенсивности У. и его частоты вообще говоря, она мала и составляет долго % от скорости У. К числу важных нелинейных явлений, возникающих при распространении интенсивного У. в жидкостях, относится акустич. кавито1(ия. Интенсивность, соответствующая порогу кавитации, зависит от рода жидкости и степени её чистоты, частоты звука, темп-ры и др. факторов в водопроводной воде, содержащей пузырьки воздуха, на частоте 20 кГц она составляет доли Вт/см . На частотах диапазона У. средних частот в УЗ-поле с интенсивностью начиная с неск. Вт/см могут возникнуть фонтанирование жидкости и распыление её с образованием весьма мелкодисперсного тумана. Акустич, кавитация широко применяется в технол. процессах при этом пользуются У. низких частот. [c.215]

Затухание звука, как известно, может быть вызвано разными причинами. В чистых жидкостях основной причиной затухания являются потери за счет сдвиговой и объемной вязкости, а при больших интенсивностях — также рассеяние на дегазационных пузырьках, потери, связанные с возникновением кавитации, и т. д. В газах существенную роль помимо вязкости играет теплопроводность. Поскольку скорость акустического течения намного меньше скорости звука, эккартовское акустическое течение можно рассматривать ьак течение несжимаемой жидкости под действием градиента радиационного давления, вызванного затуханием в результате действия всех причин, в то время как торможение акустического потока обусловлено только сдвиговой вязкостью. Поэтому скорость потока определяется отношением всех диссшхатив-ных коэффициентов к сдвиговой вязкости [32]. Экспериментально ото, пожалуй, наиболее убедительно было показано по измерениям течений в аргоне [33], где объемная вязкость, как известно, равна нулю, а поглощение обусловлено только сдвиговой вязкостью и теплопроводностью. [c.233]

Гилмор [9] сделал еще один шаг вперед. Вместо приближения, основанного на акустических представлениях, в котором предполагается, что все возмущения давления распространяются со скоростью звука, он принял гипотезу Кирквуда—Бете [23], согласно которой возмущения распространяются со скоростью, равной сумме скорости звука и местной скорости жидкости. Результаты Гилмора включают расчеты движения стенки пузырька с постоянным внутренним давлением, приближенные уравнения движения стенки пузырька при переменном давлении газа, рассмотрение влияния вязкости и поверхностного натяжения и приближенные уравнения для полей скорости и давления во всем объеме жидкости. [c.146]

При наличии кавитации скорость изменения концентрации также пропорциональна интенсивности звука, но растёт с увелпченпем последней быстрее, чем в докавитационном режиме, т. к. кавитация способствует ускорению выделения газа пз жидкости. Величина С сохраняет при этом значение, соответствующее докавитацион-ным условиям. Лишь при очень высоких уровнях интенсивности звука может реализоваться такой режим колебаний кавитационных пузырьков, при котором дальнейший рост интенсивности вызывает уменьшение скорости Д. [c.100]

Подобно пузырьку газа в жидкости, резонатор Гельмгольца — препятствие, весьма сильно рассеивающее звук на своей резонансной частоте. Расчет его сечения рассеяния осуществляется так же, как и для пузырька. Под действием первичной волны р резонансной частоты резонатор приходит в интенсивные колебания и переизлучает в виде сферической волны монопольного типа такую же мощность, какая поступает к нему от падающей волны это и есть рассеиваемая им энергия. На резонансной частоте давление в первичной волне синфазно со скоростью частиц в горлышке. Значит, мощность, сообщаемая первичной волной резонатору, равна (Va) Svpo. С другой стороны, объемная скорость Sv резонатора создает мощность излучения, определяемую формулой (113.8). Приравнивая эти две величины, найдем Sv = (Ап/рык) ро, откуда найдется и рассеянная энергия [c.373]

Когда рассматривается влияние акустической мощности на скорость массообмена прежде всего встает вопрос о пороговой для начала процесса величине, характеризующей звуковое поле, — давлении, интенсивности, объемной плотности энергии и т. п. В этом отношении в известных нам работах имеется некоторая путаница. Дело в том, что ряд авторов [70, 87, 88) рассматривает явление вынужденного выделения газа из жидкости в прямой связи с процессом кавитации, и в соответствии с этим предлагает считать порог кавитации одновременно и порогом дегазации жидкостей. В работе [89] даже приведены кривые зависимости пороговой амплитуды звукового давления Р , нри которой в дистиллированной воде наблюдалось образование маленьких газовых пузырьков. Однако, судя по описанным в той же работе химическим эффектам, сопровождавшим появление пузырьков, как и в работе [87], речь идет о кавитационном пороге. В работе [77] концентрация газа изменялась только при превышении некоторой величины акустической мощности. Однако обусловлено это разрешающей способностью методики измерения газосодержания, так как визуально выделение газовых пузырьков происходило и при значительно меньших, чем IVд, величинах акустической мощности. Поскольку в перенасыщенной жидкости выделение растворенного газа в колеблющиеся пузырьки происходит при любой амплитуде звукового давления, понятие о пороге дегазации здесь неприменимо. Если же речь идет о жидкости в недонасыщенном состоянии, то, как указывалось в гл. 2, для каждого пузырька существует критическая величина звукового давления Ра ,,, зависящего от относительной концентрации Сд/Ср, нри которой растворенный газ поступает в пузырек. Поскольку при данной частоте звука минимальным значением Ра обладают пузырьки резонансного размера, она является одновременно и порогом дегазации. Следует заметить, что с повышением частоты колебаний, как показывают расчеты, значение Ра также увеличивается (см. рис. 20, стр. 280, Со/Ср = 0,8, Д = Лр,з). [c.304]

Существующие в настоящее время гипотезы взаимосвязи процессов дегазации и кавитации весьма противоречивы. Некоторые авторы [70, 88] считают, что дегазация жидкости возможна только при наличии кавитации, после образования парогазовых полостей, которые, увеличиваясь в размерах из-за диффузии и коалесценции, покидают жидкость. По мнению других [72], дегазация с кавитацией не связана, а определяется диффузией газа в пульсирующие пузырьки, уже существующие в жидкости, и последующей их коалесценцией. Чтобы ответить на этот вопрос однозначно, нужно сопоставить кинетику процесса дегазации при низких интенсивностях звука, когда кавитация заведомо отсутствует, и при наличии кавитации. В этой связи определенный интерес представляет сообщение [93] о существовании оптимальной для дегазации области интенсивностей, в пределах которой скорость изменения концентрации газа наибольшая. Эта область со стороны меньших значений интенсивности ограничена величиной кавитационного порога. Совпадающее с возникновением кавитации увеличение скорости массообмена авторы приписывают действию двух факторов 1) увеличению числа пузырьков-зародышей, происходящему в результате образования и отделения микропузырьков с поверхности пузырьков благодаря возбуждению поверхностных мод колебаний большой амплитуды 2) повышению диффузионного потока газа на пузырек вслед- [c.314]

Во-вторых, при расчете функции ф учитывались только диффузионные эффекты, тогда как экспериментальная функция является результатом действия всех работающих на дегазацию механизмов. Как мы видели, кроме диффузии, сюда входят эффекты, ускоряющие выделение из жидкости свободных пузырьков коалесценция за счет силы Бьеркнеса и акустических потоков, изменение скорости всплывания пузырька под действием силы радиационного давления и увлечение его движущейся жидкостью. Насколько существенны эти факторы, можно судить по результатам, приведенным в гл. 3, где рассматривалось поведение одиночного пузырька или пары пузырьков в звуковом поле. Мы видели, что влияние акустических потоков существенно в особых случаях. Действительно, рэлеевские потоки в воде в поле стоячей волны имеют весьма незначительные скорости и не могут оказывать заметного влияния ни на число встреч пузырьков, ни на скорость их всплывания. Роль эккартовского потока при больших интенсивностях звука на высоких частотах и удачном соотношении радиуса звукового пучка и трубы может быть весьма значительной. Однако в проводившихся экспериментах соответствующим выбором диаметра трубы (/ 1= 0) вероятность появления потока была сведена до минимума. Измерение распределения давления по диаметру трубы показало, что из-за неоднородности поля можно принять г = 0,8 Гх, при использованных в эксперименте значениях интенсивности это приводило к весьма небольшим значениям скорости потока. Из приведенных в 3 гл. 3 оценок поправки к скорости на радиационное давление следует, что она существенна только для пузырьков резонансного размера, а для остальных (а их подавляющее большинство) ничтожна. Таким образом, наблюдавшееся в наших экспериментах изменение концентрации газа в жидкости вызвано диффузией растворенного газа в пузырьки и коалесценцие пузырьков под действием си.ты Бьеркнеса, т. е. ф,= фд+ф . Коалесценция пузырьков влечет за собой, с одной стороны, увеличение скорости всплывания пузырьков, что способствует увеличению ф.,, а с другой, как результат увеличения радиуса пузырьков, изменение величины диффузионного потока газа на пузырек в сторону, зависящую от частоты звука. Как мы видели, для коалесценции необходимо, чтобы сдвиг по фазе между колебаниями рассматриваемой пары пузырьков не превышал г. 2. Число коалесценций при этом зависит от концентрации и размеров пузырьков (см. 2 гл. 3). Так как постоянные коэффициенты в функции распределения иузырьков по числу и радиусам неизвестны, пока пет возможности оценить число встреч пузырьков при различных интенсивностях звука и частотах, т. е. найти зависимость эффекта коалесценции от основных параметров поля. Так как ф складывается из фд и ф , можно было бы предположить, что существование максимума кривой частотной зависимости обусловлено онределенным взаимодействием фд и ф . В самом деле, если принять, что диффузионная стадия [c.326]

На рис. 37 приведено семейство кривых изменения концентрации воздуха в воде при его поглощении в звуковом поле на частоте 1 Мгц для объемной плотности энергии =9 10" , 7-10 , 3-10" вт-сек1см (соответственно кривые 1—3). Пунктирная кривая характеризует ход процесса абсорбции в отсутствие звука. Ход кривых показывает, что поглощение газа продолжается до тех пор, пока не достигается состояние с определенной концентрацией газа, которую мы, как и в случае дегазации, назовем квазиравновесной и обозначим С". По мере приближения к квазиравновесному состоянию скорость поглощения газа спадает. Как и при рассмотрении кинетики выделения газа из жидкости, введем коэффициент массообмена Однако при абсорбции он учитывает главным образом газоперенос через свободную поверхность жидкости, и, следовательно (дело в том, что стабильные пузырьки в недонасы- [c.303]

Энциклопедия по машиностроению XXL

Оборудование, материаловедение, механика и ...