Выявление условий и режимов кавитационного взаимодействия жидких сред с газами

В рамках работы была разработана модель распространения ансамбля длительно существующих аэрационных пузырьков в объеме жидкости с учётом взаимного влияния параметров пузырьковой области и акустических свойств жидкости в зависимости от различных режимов и условий ультразвукового воздействия. Для описания полученных результатов были введены понятия аэрационных (крупных, не схлопывающихся) и микроскопических (схлопывающихся, появляющихся из кавитационных зародышей) пузырьков. Описаны основные особенности процесса распространения ансамбля, связанные с наличием пристеночного слоя, градиентов звукового давления, и режима вырожденной кавитации, которая возникает вблизи поверхности аэрационных пузырьков. Была получена система уравнений, содержащая две группы уравнений: уравнения динамики микроскопических пузырьков, которые описывают их движение, изменение радиусов и эволюцию концентрации, а также уравнения для описания взаимного влияния аэрационных пузырьков и кавитационного поля (в окружающей жидкости). Для учёта изменения массы жидкости в пристеночном слое (присоединённой) в процессе генерации новых пузырьков были предложена математическая формулировка граничных условий. Для получения соотношений сформулирована постановка задачи в обобщённых функциях медленного роста и реализован численный метод расчёта профиля межфазной поверхности пузырьков. Для расчетов пространственного распределения удельной площади межфазной поверхности был предложен алгоритм, учитывающий волновые процессы на поверхности аэрационных пузырьков. Разработан комплекс программ, включающий в себя библиотеки для: расчёта увеличения межфазной поверхности, расчёта взаимосвязи гармоник давления и параметров кавитационной области, итерационного метода расчёта акустических полей, вихревых течений и межфазной поверхности. Для обеспечения быстрых итерационных расчётов были разработаны эффективные алгоритмы, позволяющие повысить скорость вычислений приблизительно в 3 раза (чем с помощью стандартных программных пакетов). Экспериментальные исследования позволили подтвердить теоретические выводы и выявить оптимальные параметры ультразвукового воздействия (частота, амплитуда звукового давления вблизи излучателя, параметры импульсной модуляции колебаний — длительность и период следования ультразвуковых импульсов), при которых достигается максимальная удельная площадь межфазной поверхности. В частности, зафиксировано увеличение межфазной площади в зоне вырожденной кавитации до 1,7 раз. Также установлено, что снижение вязкости жидкости приводит к увеличению площади межфазной поверхности, а при достижении выявленной критической вязкости процесс увеличения поверхности прекращается, интенсивность кавитации при этом сохраняется. В ходе работы было выявлено, что ультразвуковое воздействие на аэрационные пузырьки в режиме, близком к режиму вырожденной кавитации, способствует формированию максимальной межфазной поверхности аэрационных пузырьков в жидкой фазе. При данном режиме воздействия обеспечивается уменьшение присоединённой массы жидкости вблизи поверхности аэрационных пузырьков, что происходит за счёт вытеснения частиц жидкости длительно существующими газовыми пузырьками. В ходе работы также был модернизирован ранее разработанный стенд для экспериментального подтверждения созданной модели и выявления физических механизмов процессов. Новые функциональные возможности стенда позволили провести ряд экспериментальных исследований в широком диапазоне параметров жидких сред и условий ультразвукового воздействия. Созданная методика проводимых экспериментальных исследований по выявлению содержания кавитационных пузырьков включает в себя: способ управление стендом и способ обработки изображения скоростной киносъёмки для увеличения межфазной поверхности. Результаты проведённых экспериментов подтвердили возможность оптимизации условий реализации процесса озвучивания в ходе принудительной аэрации для увеличения межфазной поверхности и позволили выявить закономерности формирования волн на поверхности аэрационных пузырьков в вязких жидкостях.