Введение к работе
Диссертация посвящена экспериментальному и теоретическому исследованию структуры микронеоднородностей в реальных жидкостях, механизма их стабилизации и начальной стадии развития ка-витационных процессов в импульсных волнах разрежения, возникающих в жидкости при отражении коротких волн сжатия от ее свободной поверхности.
Актуальность темы.
В механике жидкостей и физической акустике исследуются проблемы, относящиеся к эффектам так называемой пузырьковой кавитации. Эти проблемы связаны с понятием прочности жидкости и предельных динамических растягивающих напряжений, с проблемой зародышей и устойчивости их состояния, с развитием и формированием кавитационных кластеров и т.п. Разработка экспериментальных методов исследования этих эффектов, поиски способов регистрации их параметров, создание адекватных физико-математических моделей — далеко не полный перечень направлений исследований в указанных областях знаний.
Многочисленные экспериментальные и теоретические исследования в этих областях характеризуются известной противоречивостью результатов. Попытки разрепшть их наталкиваются на необходимость поиска новых постановок. В частности, в проблеме прочности теоретические модели дают оценку растягивающих напряжений для чистых жидкостей в несколько тысяч атмосфер. В экспериментальных исследованиях регистрируются амплитуды волн разрежения на порядки меньше. С другой стороны, в зависимости от условий эксперимента кавитационный процесс может развиваться в диапазоне растягивающих напряжений от долей до нескольких десятков, а в, особых случаях и сотен атмосфер. Основная причина такого несоответствия — постоянное присутствие в жидкостях микропузырьков свободного газа, механизмы сгабилизации и возникновения которых предлагали Зельдович (1942), Френкель (1945), Harvey (1947), Blace (1949), Fox and Herzfeld (1954), Сиротюк (1971), Макаров и др. (1987), Н.Ф.Бункин и Ф.В. Бункин (1991). Учет такого состояния жидкости позволил, в частности, решить проблему предельных растягивающих напряжений (Кедринский, 1975). Актуальность упомянутых
проблем, играющих важную роль в понимании поведения жидкостей при импульсном нагружении, в гидроакустике и кавитационной эрозии свидетельствует о необходимости получения более детальной и подробной информации о структуре, размерах, физической природе и поведении ядер кавитации при раэличых условиях нагружения.
Цель работы: исследование микроструктуры и динамики ядер кавитации, поиск механизмов их стабилизации в жидкости, исследование пороговых и гистереэнсных хавитационных эффектов.
Методы исследования. Решение поставленной задачи потребовало разработки дифракционно-оптической методики регистрации динамики микроскопических объектов с размерами порядка длины световой волны, создания электромагнитного источника ударных волн, позволяющего генерировать в широком диапазоне амплитуд плоские ударные волны длительностью 3-г5 мкс. Конструкция ударной трубки дает возможность исключить влияние стенок на начальную стадию развития кавитационного процесса.
Параметры ударных волн и возникающие вблизи свободной поверхности кавитационные кластеры регистрировались с помощью пьезоэлектрических датчиков, емкостной методики регистрации смещения свободной поверхности жидкости, электромагнитной методики измерения массовой скорости, методик светорассеяния и светопо-г лощения.
Научная новизна работы определяется тем, что в ней впервые получены новые результаты в области стабилизации, разработаны методы исследования структуры и начальной динамики ядер кавитации, исследованы связанные с ними различные физические эффекты.
На защиту выносятся
-
Результаты анализа индикатрисы рассеяния с определением среднего стабильного размера ядер кавитации в дистиллированной воде и экспериментальное доказательство на базе дифракционно-оптической методики существования в спектре ядер кавитации микропузырьков свободного газа.
-
Результаты измерения порогбр чувствительности дифракционно-оптической, емкостной и электромагнитной методик при регистрации начальной стадии развития кавитационного кластера.
-
Экспериментальное доказательство влияния динамики кави-
тационного кластера на поведение свободной поверхности жидкости, полуэмпирические оценки плотности кавитационных пузырьков в кластере и их усреднённых радиусов.
-
Экспериментальное обнаружение микронеоднородностей в виде сложных комбинационных структур из твердых микрочастиц и микропузырьков свободного газа.
-
Модель стабилизации микропузырька свободного газа в воде и полученные на её основе оценки равновесных радиусов микропузырьков.
Достоверность научных результатов определяется использованием постановок экспериментов, дающих возможность однозначно трактовать полученные данные и получать информацию о процессе по наличию или отсутствию предсказываемых эффектов.
Достоверность количественных измерений подтверждена перекрестной проверкой всех приводимых экспериментальных данных с помощью принципиально различных методик. Полученные данные в известной части хорошо согласуются с опубликованными данными.
Достоверность теоретической модели стабилизации микропузырь ков свободного газа подтверждается удовлетворительным совпадением теоретических оценок с экспериментальными данными и результатами микроскопических исследований, а также объяснением зависимости кавитационной прочности дистиллированной воды от атмосферы, в которой происходила ее конденсация.
Научная и практическая ценность работы. Научная ценность определяется принципиально новым подходом к решению проблемы стабилизации газовых микропузырьков в воде, разработкой новых экспериментальных методик исследования структуры и динамики ядер кавитации, обнаружением пороговых и гистерезисных эффектов.
Практическая ценность работы заключается в экспериментальных данных как по микроструктуре, физической природе, размерам и концентрации ядер кавитации, так и по их начальной динамике в импульсных волнах разгрузки, представляющей интерес для специалистов в области кавитационной эрозии и гидроакустики.
Апробация работы. Основные результаты, полученные в диссертации, представлялись на семинарах Института гидродинамики СО РАН в период 1983-1994г., на ШТАМ симпозиуме по оптическим
методам в динамике жидкостей и твёрдых тел (Чехословакия 1984 г.), на весенней сессии Американского акустического общества (Ау-стин, Техас, США, 1985г), на конкурсе молодых учёных Института (1-я премия 1986 г.; 2-я премия, 1989 г.; 1-я премия 1991 г.) и конкурсе фундаментальных работ научной молодёжи СО АН СССР 1986 года (диплом второй степени), на 3-й Международной конференции "Лаврентьевские чтения по математике, механике и физике" (Новосибирск, 1990г.), на 68-й международной конференции Японского общества механиков-инженеров (Сендай, Япония, 1990 г.), на 14-м Международном конгрессе по Акустике (Пекин, Китай, 1992г.), на Международном симпозиуме ШТАМ по динамике пузырьков и межповерхностным явлениям (Бирмингем, UK, 1993г.), на 3-м семинаре СНГ по Акустике неоднородных сред (Новосибирск, май-июнь, 1994г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 6 печатных работ [1-6].
Структура работы. Диссертация изложена на 116 страницах, включает 84 страницы машинописного текста, иллюстрируется 56 рисунками, состоит ио введения, трёх глав, заключения и списка литературы из 59 наименований.
Работа поддержана Российским Фондом Фундаментальных Исследований, грант 93-013-16383.