Влияние температурных режимов на осцилляции заряженного пузырька в жидкости

• Автор: Жарова, Ирина Геннадьевна
• Шифр специальности: 01.04.14
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2007
• Место защиты: Ярославль
• Количество страниц: 148 с. : ил.

Глава 1 ИЗУЧЕНИЕ МИКРОПУЗЫРЬКОВ В ЖИДКОСТИ С ПОМОЩЬЮ СОНОЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ. ЭЛЕКРОРАЗРЯД В ЖИДКОСТИ
1.1. Растворимость газов в жидкостях, как основной механизм образования пузырьков
1.2. Изучение пузырьков в жидкости с помощью сонолюминесценции
1.2.1 Основные особенности многопузырьковой сонолюминесценции
и основные теории ее возникновения
1.2.2 Основные особенности однопузырьковой сонолюминесценции
1.3. Электрический разряд в жидкостях
Глава 2. ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРНЫХ РЕЖИМОВ НА ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ РАДИАЛЬНЫХ И ПОВЕРХНОСТНЫХ ОСЦИЛЛЯЦИЙ ЗАРЯЖЕННОГО ПУЗЫРЬКА В
ИДЕАЛЬНОЙ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЖИДКОСТИ
2.1. Влияние температурных режимов на осцилляции заряженного
пузырька в идеальной диэлектрической жидкости
2.2. Нелинейные капиллярные колебания заряженного пузырька
в идеальной диэлектрической жидкости
Глава 3. ВРЕМЕНАЯ ЭВОЛЮЦИЯ ФОРМЫ ПОВЕРХНОСТИ ДЕФОРМИОВАННОГО В НАЧАЛЬНЫЙ МОМЕНТ ВРЕМЕНИ ПУЗЫРЬКА В ВЯЗКОЙ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЖИДКОСТИ
Глава 4. МОДИФИКАЦИЯ ТЕОРИИ ПОГРАНИЧНОГО СЛОЯ ДЛЯ РАСЧЕТА ОСЦИЛЛЯЦИЙ СВОБОДНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ, ОБЛАДАЮЩИХ СФЕРИЧЕСКОЙ СИММЕТРИЕЙ
4.1. Модификация теории пограничного слоя для расчета осцилляций
конечной амплитуды заряженной капли вязкой жидкости
4.2. Модификация теории пограничного слоя для расчета осцилляций
конечной амплитуды заряженного пузырька в вязкой жидкости
Результаты и выводы
Список литературы

В последние два десятилетия можно видеть резкое увеличение числа научных публикаций, посвященных теоретическому и экспериментальному изучению динамики пузырьков в жидкости. Это связано с открытием в 1990-1992 годах явления однопузырьковой сонолюминесценции. Явление состоит в том, что раскачиваемый сфокусированным акустическим полем одиночный газовый пузырек, помещенный в сферический сосуд, излучает световые импульсы, видимые невооруженным глазом в виде непрерывного синего свечения. Свет излучается отдельными кратковременными вспышками, излучаемыми в момент максимального сжатия пузырька. Температура газа в пузырьке в момент свечения, определяемая различными исследователями по спектру излучения абсолютно черного тела, может составлять от десятков до сотен тысяч градусов. Естественно столь необычное и интригующее явление привлекло к себе внимание многих исследователей и явилось хорошей экспериментальной базой для изучения физико-химических свойств пузырьков в жидкостях.
Анализ спектров пузырьков совместно с высокоскоростной видеосъемкой образуют необходимую экспериментальную базу. Спектральный анализ дает возможность химического анализа состава газа в пузырьке и жидкости вблизи его границы, поскольку некоторые спектры имеют ярко выраженные спектральные линии. Анализ подобных спектров для различных жидкостей указывает на то, что в объеме пузырька всегда присутствует насыщенный пар жидкости, газы, растворенные в ней, ионы и свободные радикалы, которые могут образовываться при диссоциации паров жидкости, а на границе пузырька могут адсорбироваться ионы солей растворенных в жидкости. Анализ кадров, полученных при высокоскоростной видеосъемке, позволяет определять скорость движения стенки пузырька, фиксировать ударные волны, возникающие в момент сжатия пузырька, а так же дробление пузырьков на части. Общепринято, что, устойчивый поток сонолюминесценции можно получить если: при сжатии пузырька скорость его стенки достигнет скорости звука в газе; пузырек является устойчивым по отношению к несферическим колебаниям его поверхности, приводящим к его дроблению; пузырек является устойчивым по отношению к диффузионным процессам; газ в пузырьке химически стабилен.
Несмотря на то, что основные физико-химические свойства газа в пузырьке и динамика поверхности пузырька экспериментально изучены неплохо, серьезных теоретических работ, посвященных изучению динамики кавитационных пузырьков, весьма не много. Большинство теоретических работ основываются на численном анализе
уравнения Рэлея, описывающего динамику сферического пузырька в жидкости. Данная модель не учитывает искажение формы пузырька и поэтому не позволяет описывать дробление пузырьков при очень интенсивном охлопывании. Так же, как правило, почти все работы не учитывают присутствие заряда на стенках пузырька, который может быть связан с присутствием двойного электрического слоя вблизи поверхности пузырька или с оседанием носителей заряда из объема пузырька, а так же окружающей жидкости. Учет искажения формы пузырька и присутствия заряда на стенках пузырька необходим при анализе динамики стенки пузырька, как в идеальной, так и тем более в вязкой жидкости, на что указывают последние эксперименты по сонолюминесценции, проводимые с сильно вязкими полярньми жидкостями в которых наблюдается очень интенсивный световой поток. Увеличение вязкости жидкости сильно влияет на устойчивость пузырька по отношению к дроблению, заметно уменьшая амплитуду несферических искажений поверхности пузырька, как следствие, стабилизируя его сферическую форму.
Отметим так же, что сонолюминесценция хотя и является хорошей экспериментальной основой для описания динамики пузырька в жидкости, но является далеко не единственным явлением, определяющимся динамикой пузырьков в жидкости. Изучение динамики микропузырьков в жидкости представляет большой интерес для значительного числа физических явлений и технологических процессов, в которых могут образовываться микропузырьки в жидкости. Такими процессами являются: кипение жидкости; флотация и электрофлотация; барботаж; фильтрация жидкостей; кавитация и многие другие. Большой интерес исследователей нашего столетия прикован к возможности использования сонолюминесценции в медицинских целях, как для химического анализа внутренних структур живого организма, так и в хирургических целях.
Микропузырьки, образующиеся в жидкости в различных физических явлениях, могут значительно отличаться по составу, поскольку, как уже отмечалось, содержат газы, растворенные в жидкости и насыщенный пар своей жидкости в различных концентрациях. В связи с чем, движение стенок пузырька будет определяться тем температурным режимом, которому подчиняется смесь газа и пара в пузырьке. Основными такими температурными режимами, по-видимому, могут являться: изотермический, изобарный и адиабатический законы состояния газа в пузырьке.
Цель работы состояла в изучении влияния температурных режимов газа на осцилляции заряженного пузырька в жидкости и закономерности перераспределения энергии между радиальной центрально-симметриной модой и поверхностными модами осцилляций пузырька. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

устойчивость его формы. При заряде пузырька, превышающем критическое значение, увеличение амплитуды радиальных колебаний пузырька приводит к изменению характера временных зависимостей амплитудного коэффициента поверхностных осцилляций пузырька от времени I. При 8й0 = 0 имеет место апериодический рост амплитудного коэффициента ^ с течением времени, то есть форма пузырька претерпевает электростаРис.9. Зависимости от параметра Рэлея IV квадрата безразмерной частоты поверхностных осцилляций построенные при р^ = 1, Ру = 0, р^ =1, п = 2,
7 = 1 (кривая 1), 7 = 4/3 (кривая 2), 7 = 7/5 (кривая 3), 7 = 5/3 (кривая 4).
тическую неустойчивость. Увеличение амплитуды радиальных осцилляций пузырька <)/?0 до некоторого значения приводит к устойчивым периодическим зависимостям коэффициента ^ от времени, что свидетельствует о стабилизации формы пузырька и невозможности его дробления. Дальнейшее увеличение амплитуды радиальных колебаний 811$ приводит к периодическому росту амплитудного коэффициента поверхностных осцилляций , а следовательно и неустойчивости формы пузырька, подобно тому, что представлено
на рис. 6 для парового пузырька.
Если заряд газового пузырька будет равен нулю или окажется меньше критического значения необходимого для реализации электростатической неустойчивости, то его форма может стать неустойчивой при возникновении параметрического резонанса между радиальной и одной из поверхностных мод пузырька при условии выполнения неравенства (40). Расчеты, выполненные по выражению (39), указывают на то, что зона параметрического резонанса сильно зависит от показателя политропы 7 и заряда на пузырьке, ха-