Малых Н.В., Санкин Г.Н., Рубан Н.К., Тесленко В.С., Мальцев Л.И.

ЗВУКОКАПИЛЛЯРНЫЙ ЭФФЕКТ И ДИНАМИКА
УЛЬТРАЗВУКОВОГО КАВИТАЦИОННОГО КЛАСТЕРА
У ТОРЦА КАПИЛЛЯРА
Н.В. Малых1, Г.Н.Санкин2, Н.К. Рубан1,
В.С. Тесленко2, Л.И.Мальцев1
1
Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН
2
Институт гидродинамики им. М. А. Лаврентьев СО РАН
630090 Новосибирск, Россия
Работа посвящена изучению звукокапиллярного эффекта и динамики пузырькового кластера у искривленной твердой стенки (торца капилляра) в различных жидкостях в режиме ультразвуковой (УЗ) кавитации.
Капилляры и пьезотрубка поочередно помещались в пучность стоячей
УЗ-волны, в центр пьезоэлектрической сферы с резонансной частотой
25–30 кГц, заполняемой различными жидкостями. Сфера с отверстиями –
окнами устанавливалась в стеклянный сосуд, заполненный той же жидкостью. Записывалась интегральная разность давлений положительной и
отрицательной фазы за 30–60 периодов уз волны, названная нами звукокапиллярным давлением. С помощью ФЭУ-35 регистрировалось свечение кавитационной области-кластера.
Проведенная цифровой камерой кино- и фотосъемка показала, что
на торце капилляра образуется пульсирующий с частотой УЗ-поля пузырьковый кластер переменной формы. Наиболее устойчивый, локализованный полусферический пузырьковый кластер образуется в 50процентном водном растворе глицерина (рис. 1). В этом случае регистрируется максимальное звукокапиллярное давление и образуется стационарный поток жидкости в капилляре. Меньший подъем жидкости в
капилляре происходит в воде и в этиловом спирте. В спирте образуется
много газовых пузырей, поток становится двухфазным. В случае помещения в центр сферы проволочки (электрохимического датчика), так же,
1
2
3
Рис. 1. Форма кавитационных кластеров в различных жидкостях при
одинаковых параметрах ультразвукового поля f = 28 кГц, V = 90 В.
1 – спирт; 2, 3 – глицерин 50%; 4 – вода.
109
4
1
2
Рис. 2. Кавитационный кластер. Раствор 0,5% NaCl.
1 – без датчика, 2 – с электрохимическим датчиком, d = 0,6 мм.
как и без капилляра, образуются случайные рассредоточенные пузырьковые стримеры, направленные в центр сферического концентратора
(рис. 2).
Известно, что схлопывание кластеров начинается одновременно с
внешней границы кластера при давлении, равном окружающему. Давление распространяется к центру со скоростью звука в пузырьковой среде.
Ударные волны, излучаемые при одновременном схлопывании отдельных пузырьков, образуют сходящуюся к центру ударную волну. Согласно модели и расчетам Мерча (1978), одновременное схлопывание концентрических полусферических слоев каверн приводит к повышению
энергии центральных каверн и увеличению давления от их схлопывания
на порядок по сравнению со схлопыванием одиночной каверны на стенке. Величину кумулятивных, кооперативных эффектов определяет конфигурация, (форма) кластера. Это, по-видимому, и обуславливает наблюдаемые нами наибольшие сонолюминисценцию и звукокапиллярный
эффект в 50-процентном растворе глицерина, где формируются сферические кластеры.
Явление звукокапиллярного эффекта лежит в основе интенсификации многих важных технологических и химических процессов, связанных с очисткой, пропиткой, диспергированием и металлизацией материалов.
Работа выполнена при финансовой поддержке интеграционного
проекта СО РАН №123, РФФИ (гранты №03-02-17682, 03-02-06212-мас)
и гранта Германской службы академических обменов (DAAD).
110