Трансляционные эффекты и структурообразование при акустической кавитации

• Автор: Коновалова, Светлана Ильдусовна
• Шифр специальности: 01.02.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2006
• Место защиты: Уфа
• Количество страниц: 120 с. : ил.

Глава 1.Обзор литературы и постановка задачи
1.1 Исследования динамики одиночного пузырька
1.2 Исследования динамики взаимодействующих пузырьков
Глава 2. Модель совместного осцилляционного и поступательного движения пузырьков
2.1 Потенциал поля взаимодействующих пузырьков
2.2 Лагранжиан системы взаимодействующих пузырьков
2.3 Обобщенные диссипативные силы
2.4 Уравнения движения системы взаимодействующих пузырьков
2.5 Уравнения, описывающие поведение газа в пузырьках
2.6 Методика расчета
Глава 3. Динамика одиночного пузырька
3.1 Основные уравнения
3.1.1 Уравнение осцилляционного движения пузырька
3.1.2 Уравнение поступательного движения пузырька
3.1.3 Тестовые расчеты бифуркационных диаграмм
3.2 Влияние поступательного движения пузырька на экстремальные значения параметров в момент коллапса
3.2.1 Сравнение динамики пузырька в бегущей и стоячей волнах

3.2.2 Влияние пространственной неоднородности давления на
максимальную температуру в момент коллапса в стоячей волне
3.3 Проявление нелинейных эффектов в трансляционном движении одиночного пузырька в стоячей волне
3.3.1 Регулярная и хаотическая динамика пузырька
" 3.3.2 Влияние вязкой и тепловой диссипации
Глава 4. Динамика взаимодействующих пузырьков и структуро-образование в пузырьковых жидкостях
4.1 Исследование сил взаимодействия между покоящимися пузырьками
4.1.1 Линейный анализ в слабом акустическом поле
4.1.2 Численный расчет в случае нелинейных осцилляций
4.2 Поступательное движение двух взаимодействующих пузырьков
4.3 Моделирование процессов структурообразования при акустичег ской кавитации
^ Заключение
Литература

Актуальность исследования динамических процессов при акустической кавитации обусловлена их широким распространением в природе и технике. В настоящее время под акустической кавитацией подразумевают не истинный разрыв жидкости при создании в ней отрицательных давлений, а пульсации, рост, расщепление и другие типы движения уже присутствующих в жидкости пузырьков, а также их взаимодействие при периодическом изменении давле-; ния в жидкости. В отличие от движения обычных, равновесных пузырьков (они могут вводиться извне или образовываться спонтанно при кипении, дега-. г зации, протекании химической реакции и т.д.), для движения кавитационных ' пузырьков должна существовать фаза их расширения и последующего сжа-тия.
В механике многофазных сред при моделировании динамики пузырьковых жидкостей обычно используют континуальные модели с осредненными параметрами. В случае ограниченного количества пузырьков применяется альтернативный подход, основанный на индивидуализации динамического поведения пузырьков. Такой подход позволяет описать процессы структуро-|к образования и другие явления при акустической кавитации, обусловленные <- поступательным движением пузырьков относительно жидкости (трансляционными эффектами).
Существующие теоретические исследования проявления трансляционных эффектов сводятся или к изучению динамики одиночного пузырька, при этом обычно не учитывается взаимосвязь осцилляциошгого и поступательного движений, или к изучению динамики двух взаимодействующих пузырьков

Численные расчеты проводились для пузырька, заполненного воздухом, в воде (с = 1500 м/с, р1 = 998 кг/м3, рдо = 1 кг/м3, р = 10~3 кг/(м с), сг = Т.310-3 Н/м, 7 = 1.4, срд = 1007 Дж/(кг К), Хд — 2.5810-2 Вт/(м К)) при То = 293 К и ро = 1 атм.
Диаграммы получены следующим образом. Начиная с / = 30 кГц вычисляется совокупность значений радиуса ар = {а(£), при £ = пТ,и = 100}, при этом в качестве начальных значений координат в фазовом пространстве (а, а) для следующего значения управляющего параметра /+А/ берутся конечные значения координат для предыдущего значения /. Для того, чтобы выявить области гистерезиса, эта же процедура повторяется при уменьшении управляющего параметра, начиная с / = 720 кГц. На рис. 3.1 области гистерезиса для адиабатического пузырька обозначены стрелками.
При ра = 0.2 атм реализуются периодические осцилляции с периодом, равным периоду внешнего поля. Для адиабатического пузырька в области главного резонанса, возникающего при частоте внешнего поля, равной Мин-наэртовской (собственной) частоте пузырька /м ~ 300 кГц, наблюдается явление гистерезиса. В фазовом пространстве существуют два аттрактора, т.е. при различных начальных условиях реализуются два типа периодических осцилляций, что означает чувствительность к начальным данным. При частоте внешнего акустического поля, в целое число раз меньшей собственной частоты пузырька, возникают обертоны, или гармоники высших порядков, затухающие при уменьшении частоты. В области второй гармоники при / ~ 150 кГц радиус пузырька изменяется скачкообразно. Учет теплопроводности приводит к сглаживанию кривой, при этом сосуществующие аттракторы не возникают.
Увеличение амплитуды давления приводит к усложнению отклика пузырька. Резонансы, возникающие при частоте акустического поля в целое число раз большей собственной частоты колебаний пузырька, называются субгармоническими резонансами. При ра = 0.4 атм для адиабатического пузырька в области второго субгармонического резонанса при / ~ 600 кГц происхо-