Выявление условий и режимов кавитационного взаимодействия жидких сред с газами

Растворение газа в жидкости является медленным диффузионным процессом по сравнению с растворением газа в газе или жидкости в жидкости. Традиционный физический принцип растворения, основанный на аэрации жидкости и представляющий собой барботажный процесс, который может протекать при различных температурах и давлениях, обладает недостаточной эффективностью из-за малого коэффициента диффузии газа в жидкость, который в 10000 раз меньше, чем коэффициент диффузии газа в газ. Из-за данного физического ограничения наиболее очевидный путь повышения скорости растворения - увеличение межфазной поверхности за счёт дробления пузырьков. В проекте предлагается технология увеличения межфазной поверхности, основанная на кавитационном дроблении газовых пузырьков при воздействии ультразвуковых колебаний. Авторами доказано и экспериментально установлено, что ультразвуковые колебания, инициирующие кавитационные явления, способны осуществлять дробление пузырьков, увеличивая удельную межфазную поверхность более чем в 1000 раз. Однако эффект ультразвукового воздействия, на сегодняшний день, к сожалению, достигнут лишь в малых объёмах (не более 1 дм^3) из-за ограниченности кавитационной области. Кроме того, на сегодняшний день отсутствуют комплексные теоретические и экспериментальные исследования, позволяющие определить кратность увеличения межфазной поверхности, рассчитать кинетику процесса, выявить закономерности влияния режимов и условий ультразвукового воздействия на кинетику. При этом даже нет установленных механизмов и закономерностей процесса. Поэтому проект направлен на решение проблемы создания комплексной взаимосвязанной теоретической модели ультразвуковой кавитационной интенсификации растворения газа в жидкости с учётом кавитационного дробления межфазной поверхности и интенсификации диффузии. Модель необходима для выявления оптимальных режимов и условий воздействия, обеспечивающих возможность достижения заданной концентрации растворённого газа в заданном объёме жидкости с максимально высокой скоростью, и управления этим процессом. Предлагаемая модель будет рассматривать основные механизмы интенсификации растворения газа, которые заключаются в дроблении пузырьков на более мелкие (кавитационный пузырёк дробится самостоятельно в фазе схлопывания, образуя новые ядра кавитации, а долгоживущий пузырёк дробится за счёт ударных волн со стороны соседних пузырьков), образовании волн на поверхности пузырька. Модель будет одновременно учитывать эволюцию параметров ансамбля пузырьков (концентрацию кавитационных пузырьков с различным содержанием газа внутри пузырька) за счёт дробления, коалесценции и диффузии газа, а также взаимное влияние параметров акустического поля и параметров ансамбля пузырьков (влияние ансамбля пузырьков на акустические свойства жидкости). Будет учитываться пространственная неоднородность акустических свойств пузырьковой жидкости и влияние данной неоднородности на распространение акустического поля. Будет впервые предложено использование импульсной модуляции ультразвуковых колебаний для увеличения распространения дальности кавитационной области. Увеличенная дальность распространения кавитационной области будет достигнута за счёт уменьшения размера пузырьков вблизи излучателя и тем самым уменьшения коэффициента поглощения акустических колебаний. При этом за счёт уменьшения размера пузырьков и увеличения дальности распространения пузырьковой области площадь межфазной поверхности "жидкость-газ" увеличится. Полученные теоретические результаты будут подтверждаться результатами экспериментальных исследований. Последующая реализация полученных знаний обеспечит создание новых высокоэффективных технологий: - озонированной очистки сточных вод; - абсорбции углекислого газа из атмосферы; - растворения лечебных газов в воде; - разделения газов в технологических процессах.