Деякі проблеми моделювання кавітаційної дегазації рідини. I. Акустична кавітація.
DOI:
https://doi.org/10.18524/0367-1631.2023.61.292236Ключові слова:
акустичні дегазація, газові мікро-бульбашки, моделювання, коалесценціяАнотація
В останні десятиліття широкого застосування набувають кавітаційні методи дегазації рідини, які сьогодні практично замінили в промисловості традиційні трудомісткі механічні та хімічні методи дегазації. Застосування кавітаційних методів базується на тому, що частина присутніх в рідині нейтральних газів знаходиться не в розчиненому стані, а у так званому «вільному» стані у складі великої кількості парогазових бульбашок, розмір яких вимірюється в масштабі мікро- та нанометрів. Природа стабільного довготривалого існування таких мікро-бульбашок, до цього часу не знайшла обґрунтованого пояснення і є предметом дискусії дослідників. Кавітаційні методи дегазації, як гідродинамічні так і акустичні, спрямовані саме на швидке видалення цих бульбашок з рідини разом з присутнім в них вільним газом. Перевагою застосування методів акустичної кавітації є можливість точного контролю частоти та інтенсивності ультразвуку, а також тривалості озвучування Методи акустичної дегазації базуються на двох механізмах: перехід розчиненого газу всередину пульсуючих бульбашок завдяки ефекту «спрямованої дифузії» та зближення і наступна коалесценція сусідніх бульбашок під дією сили Б’єркнеса. Як наслідок, зростаючі бульбашки швидко спливають і виходять з рідини разом вільним газом. В останні роки опубліковано велику кількість статей по комплексному дослідження процесів акустичної дегазації. На думку авторів цих публікацій механізм дегазації на мікроскопічному і все різноманіття динаміки бульбашок, в залежності від частоти та інтенсивності звуку, залишається поки що не зрозумілими.
В даній статті розглянуто основні проблеми моделювання процесів акустичної дегазації, які підтверджують відсутність загальноприйнятих чітких уявлень про фізичну природу і механізми кавітаційних явищ та загального підходу до аналізу отриманих результатів. В плані розвитку досліджень в цьому напрямку в статті також наводяться результати обчислювального експерименту по коалесценції пульсуючих бульбашок, проведеного авторами на основі створеної ними раніше моделі динаміки одиничної бульбашки. В результаті теоретичного дослідження одержано нову, невідому раніше інформацію про силову взаємодію пульсуючих бульбашок різного розміру, що можна розглядати як певний внесок в розуміння механізмів акустичної дегазації.
Посилання
Rozenberg L. D. Liberation of Free Gas from a Liquid. In: Rozenberg, L.D. (eds), Physical Principles of Ultrasonic Technology, Vol 1. – Boston, MA : Springer. P. 422-443.
Brennen Ch. E. Cavitation and Bubble Dynamics. – New York : Oxford University.
Yue Hao, Yuhang Zhang, Prosperetti A Mechanics of gas-vapor bubbles // Physical review fluids. – 2017. – No. 2. – P. 034303.
Rognerud M. R., Bjørn W. How to Avoid Total Dissolved Gas Supersaturation in Water from Hydropower Plants by Employing Ultrasound // J. Phys.: Conf., 2020, Ser. 1608 012004.
Stryczek J., Antoniak P., Banas M., Stryczek P., Jakhno O., Luhovskyi O., Gryshko I. Physical fundamentals of ultrasonic degassing // Bulletin of the Nat. Techn. University "KhPI". Series: Hydraulic machines and hydraulic units. – 2021. – No. 1. – P. 17-22.
Kapustina O. A. Degassing of liquids. In L.D. Rozenberg (ed.), Physical Principles of Ultrasonic Technology, Vol. 1. – New York : Plenum Press, 1973. – P. 377-509.
Asakura Yo, Yasuda K. Frequency and power dependence of ultrasonic degassing // Ultrasonics Sonochemistry. – 2022. – Vol. 82, January. – P. 105890.
Mettin R., Stephens D., Holly D., Thiele M. Some Remarks on Ultrasonic Degassing // DAGA 2022 Stuttgart. – P. 1390-1393.
Choi P.- K. Acoustic Bubbles and Sonoluminescence //Handbook of Ultrasonics and Sonochemistry, M. Ashokkumar, (ed.). Singapore : Springer Science, 2015. – 29 p.
Yasui K. Unsolved problems in acoustic cavitation // Handbook of Ultrasonics and Sonochemistry, M. Ashokkumar, (ed.). Singapore : Springer Science, 2015. – 34 p.
Shatalov V. M., Filippov A. E., Noga I. V. Bubbles Induced Fluctuations of Some Properties of Aqueous Solutions // Biophysics. – 2012. – Vol. 57, no. 4. – P. 421-427.
Ivanitsky G., Tselen B., Nedbaylo A.Е, Konyk A. Modeling the kinetics of cavitation boiling up of liquid. //Physics of aerodisperse systems. – 2019. – Vol. 57. – P. 136–146.
Mettin R., Cairós C. Bubble Dynamics and Observations // Handbook of Ultrasonics and Sonochemistry, M. Ashokkumar, (ed.). – Singapore : Springer Science, 2015. – 29 p.
Louisnard O., Gomez F. Growth by rectified diffusion of strongly acoustically-forced gas bubbles in nearly saturated liquids // Physical Review E. – 2003. – Vol. 67, no. 3. – P. 036610.
Leong, T., Ashokkumar, M., Kentish, S. The Growth of Bubbles in an Acoustic Field by Rectified Diffusion // Ultrason. Sonochemistry. – 2016. – Vol. 10. – P. 978-981.
Judy Lee Importance of Sonochemistry and Solution Conditions on the Acoustic Cavitation Activity // Handbook of Ultrasonics and Sonochemistry, M. Ashokkumar, (ed.). – Singapore : Springer Science, 2015. – 39 p.
Eller A., Flynn H. G. Rectified diffusion during nonlinear pulsations of cavitation bubbles // Jour. Acoust. Soc. Am. – 1965. – Vol. 37. – P. 493-503.
Crum L. A. Measurements of the growth of air bubbles by rectified diffusion // Jour. Acoust. Soc. Am. – 1980. – Vol. 8(1). – P. 203-211.
Fyrillas M. M., Szeri A. J. Dissolution or growth of soluble spherical oscilalting bubbles // J Fluid Mech. – 1994. – Vol. 277. – P. 381-407.
Soto Á. M., Peñas P., Lajoinie G., Lohse D., van der Meer D. Ultrasound-enhanced mass transfer during single-bubble diffusive growth // Phys. Rev. Fluids. – 2020. – Vol. 5, no. 6. – P. 063605.
Zhang X., Li F., Wang C., Mo R., Hu J., Guo J., Lin S. Effects of translational motion on the Bjerknes forces of bubbles activated by strong acoustic waves // Ultrasonics. – 2022. – Vol. 126, Dec. – P. 106809.
Sanduleanu S. V., Petrov A. G. Interaction of Two Nearly Contacting Gas Bubbles Pulsating in a Liquid in an Alternating Pressure Field // JETP Lett. – 2020. – Vol. 112. – P. 150-156.
Jiao J., He Y., Leong T., Kentish S. E., Ashokkumar M., Manasseh R., Lee J. Experimental and Theoretical Studies on the Movements of Two Bubbles in an Acoustic Standing Wave Field // J. Phys. Chem. B. – 2013. – Vol.117. – P. 12549-12555.
Иваницкий Г. К. Численное исследование динамики пузырьков в явлениях акустической кавитации // Пром. теплотехника. – 2003. – Т. 25, № 6. – P. 22-28.
Долинский А. А., Иваницкий Г. К. Теоретическое обоснование принципа дискретно-импульсного ввода энергии. I. Модель динамики одиночного парового пузырька // Пром. теплотехника. –1995. – Т. 17, № 5. – C. 3-28.
Emetc B. G. NMR evaluation of average size and concentration of air bubbles in water // Letter to JTF. –1997. – Vol. 23(13). – P. 42-45.
Jadhav A. J., Bulk M. B. Nanobubbles or Not Nanobubbles: That is the Question // Langmuir. – 2020. – Vol. 36(7). – P. 699-1708.
##submission.downloads##
Опубліковано
Номер
Розділ
Ліцензія
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution-ShareAlike 4.0 International License.
Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:
- Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Attribution-NonCommercial 4.0 International (CC BY-NC 4.0).
- Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) роботи, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи (див. The Effect of Open Access).
