Влияние характеристик ультразвукового поля на условия фазового равновесия сплошных сред и интенсивность процесса кавитационной эрозии (заключительный)

В рамках проекта было проведено комплексное исследование процесса акустической кавитации жидкостей, включающее проведение экспериментальных исследований, а также разработку аналитических методов прогнозирования условий возникновения кавитации с помощью критерия инкубационного времени. На первом этапе было выполнено исследование работоспособности разрабатываемого подхода на основе критерия инкубационного времени для оценки пороговых характеристик фазового перехода жидкость-пар по типу кавитации в зависимости от частоты колебаний фонового звукового поля, гидростатического давления и температуры жидкости. Проведено сравнение критерия инкубационного времени кавитации с классическим критерием порога нестабильной кавитации Блэйка и порогом кавитации по гомогенной теории нуклеации. Показано, что предлагаемый критерий инкубационного времени позволяет проводить анализ порогового давления для нестабильной кавитации без прямого учета параметров дефектной микроструктуры жидкости. В свою очередь оба классических критерия порога нестабильной кавитации не позволяют качественно моделировать частотную зависимости порога кавитации. При этом разрабатываемый подход использует только макропараметры жидкости, а для применения критерия Блэйка необходимо учитывать размеры кавитационных зародышей. Показано, что характеристика динамической прочности жидкости в терминах инкубационного времени, может быть связана с энергией образования зародыша кавитации на молекулярном уровне, а также скоростью нуклеации зародышей. Например, сравнение с порогом кавитации, рассчитанным согласно классической теории нуклеации, показывает, что в некоторых случаях оба подхода дают схожие результаты. Данная связь может быть использована в дальнейшем для прямого расчета параметров критерия инкубационного времени кавитации. Была разработана установка для исследования фазовых превращений в жидкости под действием ультразвука при различных температурах и гидростатических давлениях (до 10 атм). Используемые частоты 17, 22, 33 и 44 кГц. Первые испытания позволили получить набор экспериментальных данных о изменении условий фазового равновесия жидкость-пар по типу кавитации при ультразвуковом воздействии. На примере растительного рафинированного масла и дистиллированной воды рассмотрены три способа изменения внешних условий на пороговые значения начала кавитации. Так как установка позволяет независимо контролировать три основных параметра: температуру, гидростатическое давление и мощность ультразвука, то в каждом из способов значения двух из трёх параметров удерживались постоянными, а начало кавитации фиксировалось при варьировании третьего. Было показано, что постепенное увеличение амплитуды ультразвуковой волны способствует лучшей повторяемости результатов. Также неплохая повторяемость была достигнута при варьировании гидростатического давления. Показано, что таким образом можно управлять кавитацией. Постепенное изменение гидростатического давления не только «включает» и «выключает» кавитацию, но и существенно меняет структуру кавитационного поля. Полученные экспериментальные данные были использованы для апробации структурно-временной аналитической модели, позволяющей оценивать влияние ультразвука на условия фазового равновесия жидкость-пар. Были получены количественные совпадения расчетных кривых и экспериментальных данных. Кроме того, дополнение разработанной модели методом знаковозмущенных сумм позволило разработать стандартизированный способ оценки модельных параметров при обработке данных испытаний по импульсной кавитации. Метод знаковозмущенных сумм (SignPerturbed Sums) применялся для оценки значения инкубационного времени в виде доверительного интервала. Показано, что полученные значения при обработке данных испытаний по импульсной кавитации можно использовать при моделировании ультразвуковой кавитации. Сравнение результатов анализа с экспериментальными данными показало, что разработанная модель способна объяснить как достаточно большой разброс значений порога кавитации, отмеченный в экспериментах кривыми Эша, так и его рост с увеличением частоты. Дополнительно была разработана модификации модели, которая позволяет оценивать по результатам, полученным в экспериментах по импульсной кавитации жидкостей, не только значения инкубационного времени разрушения, но и также статического порога кавитации. Такая модель позволяет определять значения прочностных параметров модели для более широкого набора веществ, для которых не найти справочного значения статического порога кавитации, согласно фазовой диаграмме состояния или какого-нибудь известного уравнения двухфазного состояния вещества, например, уравнения Ван-дерВаальса. Данная методика также была отлажена и опробована для моделей разрушения твердых двухкомпонентных сред, для которых механизм разрушения изменяется в зависимости от скорости нагружения. Кроме того, рассмотрена задача поиска наиболее значимых параметров, влияющих на порог кавитации, с помощью алгоритмов машинного обучения. Помимо влияния на порог кавитации частоты ультразвука и гидростатического давления рассмотрен вопрос о влиянии таких ключевых параметров, как температура, объем, дегазация, плотность, вязкость, плотность и поверхностное натяжение жидкости. Была составлена базы данных соответствующих параметров и их влияния на порог кавитации. Были обучены три модели машинного обучения, основанные на алгоритмах регрессии опорных векторов (SVR), гребневой регрессии (ridge regression) и случайного леса (RF) с различными входными параметрами. Дальнейшее развитие полученных результатов позволяет по-новому оптимизировать и совершенствовать существующие теоретические модели. Параметры, влияющие на активные зародыши кавитации, а именно, гидростатическое давление, частота ультразвука и степень дегазации, оказались наиболее важными входными параметрами, влияющими на прогноз порога кавитации. Другие параметры имеют незначительное влияние по сравнению с первыми тремя, и их роль может быть компенсирована альтернативными переменными. Для теоретической оценки интенсивности эрозионного процесса, возникающего в результате схлопывания кавитационных пузырей, была разработана модель, которая позволяет для произвольной частоты и амплитуды акустической волны вычислить, какая доля энергии акустического поля была израсходована на образование кавитационного пузырька, а какая часть была накоплена на стадии его роста. Полученные зависимости качественно совпадают с экспериментальными исследованиями, проводимыми другими авторами. Таким образом, по величине запасённой энергии можно провести оценку параметров эрозионного воздействия. Смонтирован стенд для испытания металлических материалов и покрытий на подложках на кавитационную эрозию при акустическом воздействии. Получен массив экспериментальных данных по влиянию параметров ультразвукового акустического поля на интенсивность процесса кавитационной эрозии. Значимые данные получены на примере модельных материалов: алюминиевая фольга, огнеупорный кирпич и лакокрасочное покрытие (акриловая краска на стальной поверхности). Наиболее хорошим материалом для изучения оказались пластины из огнеупорного кирпича. С помощью измерений потери массы водонасыщенного материала до и после испытаний с заданной амплитудой ультразвука были получены убедительные результаты об изменении ультразвуковой эрозии. Одним из значимых результатов является наличие минимума эрозионной активности, который связан с изменением области кавитационной активности при конкретной частоте и амплитуде ультразвука. Это указывает на наличие переходного процесса в кавитационных режимах, а значит и возможной смене механизмов разрушающего воздействия. Данный эффект может быть еще одним ключом для исследований и систематизации физико-механических процессов в жидкостях с целью их применения для создания нужных режимов локального микро ударного воздействия, например, биомедицинских приложениях.