Содержание к диссертации
Введение
I. Математическая модель и методика расчета влияния вязкости жидкости в динамике несферического пузырька 26
II. Влияние вязкости жидкости при свободном затухании начального искажения газового пузырька 48
III. Влияние вязкости жидкости при периодических колебаниях несферического газового пузырька 65
IV. Искажение сферичности парового пузырька в дейтерированном ацетоне 92
Заключение 114
Литература 116
- Математическая модель и методика расчета влияния вязкости жидкости в динамике несферического пузырька
- Влияние вязкости жидкости при свободном затухании начального искажения газового пузырька
- Влияние вязкости жидкости при периодических колебаниях несферического газового пузырька
- Искажение сферичности парового пузырька в дейтерированном ацетоне
Введение к работе
Жидкости, испытывающие значительные перепады давления, широко применяются в самых различных отраслях народного хозяйства: энергетике, химии, медицине, трубопроводном транспорте и др. Обычно в жидкостях всегда имеется большое количество пузырьков. Наличие пузырьков, которые вследствие перепада давления в жидкости могут претерпевать расширения-сжатия, может существенно влиять на свойства жидкостей. Давление, температура и плотность газа в полости пузырьков при сжатии, а вместе с этим и свойства содержащих пузырьки жидкостей, в значительной степени зависят от формы пузырьков. А именно, при сферическом сжатии значения указанных параметров максимальны, а по мере увеличения отклонения от сферичности будут уменьшаться. С другой стороны при радиальных колебаниях пузырька с большой амплитудой несферическое сжатие пузырьков вблизи твердых стенок может вызывать образование сверхзвуковвіх струек, которые при определенных условиях приводят к эрозии поверхности стенки. Все это представляет интерес не только с механической точки зрения, но и для физики, химии, биологии, медицины.
Примером явления, при котором наблюдаются химические реакции, диссоциация и ионизация газа, служит периодическая сонолюмииесценция отдельного пузырька, под которой понимается периодическое испускание коротких световых импульсов маленьким газовым пузырьком, совершающим колебания в пучности ультразвуковой стоячей волны давления. Особенного внимания заслуживает активно обсуждаемое относительно недавно экспериментально открытое академиком Р.И.Нигматулиным и его американскими коллегами явление ядерного излучения при акустической кавитации (выхода нейтронов и ядер трития при акустическом возбуждении кластера паровых пузырьков в дейтерированном ацетоне, 2002г.). Первые результаты исследований явления ядерного излучения при акустической кавитации позволяют предположить, что в момент максимального сжатия парового пузырька внутри него возникают состояния вещества с температурой до миллиона градусов и выше. Возникли идеи использовать это явление в качестве механизма получения ядерной энергии. Для того чтобы этот механизм заработал как неограниченный источник дешевой энергии, необходимо решить, по крайней мере, одну принципиальную проблему, которая состоит в том, как достигнуть таких степеней сжатия парового пузырька, при которых выход энергии был бы максимальным. Форма межфазной поверхности, близкая к сферической, является одним из необходимых условий экспериментальной реализации режима суперсжатия пузырька, при котором наблюдается явление ядерного излучения при акустической кавитации. Во многих случаях колебания формы пузырька сильно зависят от вязкости жидкости. С уменьшением размеров пузырька ее влияние возрастает. Особенно это проявляется для искажений по высокочастотным гармоникам. Поэтому изучение влияния вязкости жидкости в динамике несферического пузырька является актуальным.
Обзор литературы. До относительно недавнего времени для теоретического исследования радиальных колебаний пузырька газа в жидкости применялись в основном модели типа Рэлея-Ламба-Плесета, в которых разрежение-сжатие газа в пузырьке принимается по всему объему равномерным, а окружающая пузырек жидкость - несжимаемой или слабо сжимаемой.
Впервые исследования динамики пузырька были проведены Rayleigh'eM [92], который решил задачу сферического схлопывания пустой полости в большом объеме невязкой несжимаемой жидкости при постоянном в ней давлении.
Развил модель Рэлея для учета вязкости, поверхностного натяжения и изменяющегося со временем давления Plesset [75]. Noltingk и Neppiras [65,73] применили политропический закон для описания изменения давления газа в пузырьке.
Более полный учет вязкости жидкости в уравнении движения пузырька в несжимаемой жидкости был рассмотрен Poritsky [81]. Lauterborn [46] предлагал на уравнение Рэлея-Плессета, в котором газ удовлетворяет политропическому закону и учитывается влияние вязкости, поверхностного натяжения, переменного давления в жидкости, ссылаться как на RPNNP-уравнениє. RPNNP обозначает первые буквы имен ученых, внесших вклад в создание конечного вида уравнения: Rayleigh [92], Plessel; [75], Noltingk и Neppiras [65,73], Poritsky [81]. Keller и Miksis [44] преобразовали радиальное уравнение движения для описания вынужденных колебаний пузырька большой амплитуды, включая эффекты акустического излучения пузырька и используя аппроксимацию линейного политропического показателя. Это уравнение было преобразовано Prosperetti и др. [90] для более точного учета внутреннего давления. Упомянутые два подхода, а также подход Fiynn'a [34] сравнил с экспериментальными данными Gaitan и др [35]. Все три подхода предполагают, что впутреннее давление остается однородным в пузырьке, и что содержимое пузырька подчиняется закону идеального газа.
Одна из последних моделей типа Рэлея-Плессета предложена в работе Нигматулииа и др. [131]. В отличие от других моделей при ее построении окружающая пузырек жидкость разбивается на две зоны. Принимается, что в ближней к пузырьку зоне, которая составляет от 1 до 10 радиусов пузырька, жидкость несжимаема, а в дальней справедливо акустическое приближение. Сшивка зон производится асимптотически через промежуточную бесконечность. Другое отличие этой модели от аналогичных моделей состоит в том, что в ней учитываются не только волны, расходящиеся от пузырька, но и волны, отраженные от внешней поверхности жидкого объема.
Свободные радиальные колебания пузырька впервые изучал Minnaert [60]. Импульс, вызывающий колебания пузырька, предполагался малым, вследствие чего пузырек аппроксимировался линейным осциллятором. Пульсации происходили с хорошо известной резонансной частотой. Исследовано затухание колебаний по причине тепловых и вязкостных потерь. Minnaert [60] впервые вычислил собственную частоту колебаний сферического газового пузырька в жидкости, испытывающего простые гармонические колебания малой амплитуды. Более поздние исследования задачи свободных колебаний пузырька с малой амплитудой можно найти, например, у Chapmen'a и Plesset'a [20].
Затухание колебаний пузырьков на резонансной частоте исследовал также Devin [25]. Devin использовал логарифмический декремент затухания для описания затухания колебаний изменения объема пузырька. Eller [27] распространил эти исследования на случай затухания пузырьков, приводимых в движение на нерезонансных частотах, но только для предельного случая, когда длина волны возбуждающего акустического поля (как в жидкости, так и в газе) много больше, чем радиус пузырька. Plesset и Prosperetti [80], Apfel [10] и Prosperetti [86,87] сделали обзор исследований затухания колебаний сферических пузырьков. Использование политропического приближения для внутреннего давления в пузырьке, содержащего преимущественно неконденсируемый газ, очевидно, не является корректным при некоторых условиях. Подробное рассмотрение варьирования показателя политропы и тепловых потерь с использованием законов сохранения массы, момента и энергии приведено в работах Plesset'a и Prosperetti [80], Prosperetti [83], Chapmen'a и Plesset'a [21], Devin'a [25], Plesset'a и Hsieh'a [78] и др. Prosperetti [83] отошел от приближения пространственной однородности в пузырьке. Основываясь на модели Fanelli, Prosperetti и Reali [31,32] вынужденных пульсаций пузырька с малой амплитудой, которая учитывает пространственную неоднородность плотности, давления, скорости, концентрации и температуры как в пузырьке так и вне его, Fanelli, Prosperetti и Reali [33] дают математическое объяснение для пузырька, содержащего газ и пар, который испытывает линейные колебания формы. Miksis и Ting [59] предоставили систему линейных дифференциальных уравнений для радиальных пульсаций пузырька с учетом поверхностного натяжения, тепловых и вязкостных эффектов в предположении тонкого теплового погранслоя в газе, который при линеаризации сводится к результатам Prosperetti [83].
Исследования нелинейного характера затухания вынужденных колебаний пузырька, в том числе и экспериментальные Crum'a и Prosperetti [22], и их формулировка базировались на определении внутреннего давления в пузырьке согласно работе Prosperetti, Crum'a и Commander'a [90]. Нелинейная модель, первоначально предложенная Нигматулиным и Хабеевым [69]. которые производили аппроксимацию пространственно однородного внутреннего давления, оказалась очень эффективной. Ее применение можно найти в работах Flynn'a [34], Нигматулина и Хабеева [70], Нагиева и Хабе-ева [64], Нигматулина, Хабеева и Нагиева [71], Kamath'a и Prosperetti [42], Prosperetti [88].
Испарение-конденсация пара и массовые потоки (в результате диффузии газа в жидкость или из нее) на стенке пузырька могут оказывать существенное влияние на затухание колебаний пузырьков (см, напр., работы Fanelli, Prosperetti и Reali [31,32], Prosperetti [85]). Lin, Storey и Szeri [49] предложили свой способ приближенного учета пространственной неоднородности поля давления в пузырьке . Vaughan и Leeman [97] предложили употреблять термин «акустическая кавитация» для обозначения нелинейных колебаний пузырька, среди которых выделяют три вида колебаний: 1) дозвуковая кавитация, при которой скорость поверхности пузырька всегда меньше, чем скорость звука в газе и жидкости; 2) «кавитация газовой фазы», при которой скорость поверхности меньше скорости звука в жидкости, но больше скорости звука в газе; 3) «кавитация жидкой фазы», при которой скорость поверхности пузырька больше скоростей звука и в газе и в жидкости. В монографии Leighton'a [48[ приводятся минусы этой классификации, и не делается вывод об ее превосходстве над другими. Кроме монографии Leighton'a [48] среди обобщающих изданий по динамике пузырька отметим монографию Brennen'a [17].
Сильный импульс исследованиям нелинейных колебаний пузырька газа в жидкости дали экспериментальные открытия в начале 90-х годов явлений однопузырьковой сонолюминесценции Gaitan'oM et al. [35] (устойчивого периодического свечения отдельного газового пузырька в стоячей акустической волне SBSL) и в 2000г. ядерного излучения при акустической кавитации Nigmatulm'biM et al. [95] (выхода нейтронов и ядер трития при акустическом возбуждении кластера пузырьков в дейтерированном ацетоне).
Обсуждение различных физических и механических аспектов явления SBSL можно найти в обзорных работах Barber'a et al. [11], Matula [56]. В частности, было выявлено Gaitan'oM et al. [35], что испускание происходит в строго определенной фазе колебаний звукового давления в стоячей волне. Barber and Putterman [12] измерили длительность световых импульсов 50-250 пс. В работах Hilgenfeldt'a and Lohse [39], Moss'a et al. [63], Nigmatulin;a et al. [68], Simonenko et al. [94], Aganin'a and Ilgamov'a [4] приведены результаты поисков способов масштабирования периодической SBSL, то есть способов достижения в пузырьке еще более высоких температур и плотностей вещества. Эти исследования представляют большой интерес для физики высоких плотностей и энергий (Simonenko et al. [94]). В целях масштабирования явления SBSL варьируются жидкость и растворяемый в ней газ, температура и статическое давление жидкости, амплитуда и частота возбуждения, концентрация растворенного в жидкости газа (Crum et al. [24], Matula [56], ОЫ et al. [74], Маргулис [126]), в работе Moraga et al. [61] исследуется влияние включения в закон возбуждения высокочастотных гармоник, в работах Аганина и Ильгамова [105], Нигматулина и др. [132] изу- чаются негармонические законы возбуждения.
Для достижения периодических колебаний пузырька в пучности стоячей волны давления необходимо удовлетворять ряду довольно жестких условий устойчивости (Brenner et al. [18]). Природа неустойчивости может быть различной - диффузионная (Crum and Cordry [23]), параметрическая и Релей-Тейлора (Brenner et al. [19]), химическая (Lohse et al. [54.55], Matula and Crum [58]). Запирание пузырька в пучности давления стоячей волны обусловлено действием первичной силы Бъеркнесса, компенсирующей действие выталкивающей силы Архимеда. Неустойчивость колебаний пузырька может быть вызвана также и изменением величины (или даже направления) силы Бъеркнесса (Akhatov et al. [8], Matula et al. [57]). Walton и Reynolds [99] рассмотрели пульсации пузырьков в стоячей волне давления. В зависимости от размера пузырьков - большего или меньшего резонансного - исследовано движение пузырьков под действием силы Бьеркнесса из области узла давления в ее пучность и обратно. Устойчивыми радиальные колебания пузырька нельзя назвать при хаотических режимах колебания. Режимы, обнаруженные Lauterborn'oM в 1976 [46], в которых не существует обычных устойчивых состояний (периодического решения для движения пузырька) являются фактически хаотическими [47]. Kamath и Prosperetti [42] представили количественные изменения в радиальной динамике пузырька на бифуркационной диаграмме. Б зависимости от амплитуды внешнего акустического возбуждения радиальные колебания пузырька могут иметь, фактически, до нескольких периодов, а могут быть хаотическими.
Анализ влияния диффузии газа через границу пузырька был проведен в работе ЕНег'а и Flynn'a [30] при изотермическом приближении граничных условий. ЕПег [28] развил эту теорию для неизотермических граничных условий и применил ее для адиабатического случая. ЕПег [26] измерил влияние диффузии газа через межфазную границу на рост пузырьков, за- пертых в пучности ультразвуковой волны давления с частотой 26,6 кГц при амплитуде изменения давления 0.3 бара. Сила Бьеркнеса удерживала пузырек на месте пока проводились измерения, которые показали изменение радиуса пузырька от 15 мкм до 90 мкм. ЕПег [28] измерил рост радиуса пузырьков от 50 мкм до 200 мкм в акустическом поле с частотой 11 кГц с той же амплитудой изменения давления 0.3 бар.
Сравнение расчетных и экспериментальных данных касающихся явления SBSL показывает (Lofstedt et al. [51]), что в подавляющей части периода модель Рэлея-Ламба-Плессета дает правильное изменения радиуса пузырька во времени, и лишь в финальной стадии имеют место существенные расхождения. Расчеты Wu и Roberts'a [101,102] показывают, что на финальной стадии охлопывания пузырька внутри него возникают ударные волны, причем имеет место взаимодействие расходящихся ударных волн с границей между газом и жидкостью. Поэтому для моделирования схлопывания пузырька необходимо применять полную гидродинамическую, модель не только для газа, но и для жидкости. Моделирование динамики пузырька с использованием уравнений газовой динамики для обеих сред было выполнено Moss'om et al. [62,63]. В работах Аганина и Ильгамова [106-108,110], Аганина и др. [Ill], Aganin'a [1] был реализован переход от простой модели Рэлея-Ламба-Плессета, использование которой является совершенно оправданным практически на всем периоде за исключением финальной стадии схлопывания пузырька, где уже применялась полная гидродинамическая модель. Был изучен механизм образования и эволюции ударных волн в газовом пузырьке.
Изучение динамики пузырька в жидкости на режимах больших расширений-сжатий (Akhatov et al. [7]) и сверхбольших расширений-сжатий, характерных для ядерного излучения при акустической кавитации (Беляев и др. [117]) требует применения полной системы уравнений газовой динамики в жидкости и газе, а также сложных уравнений состо- яния, которые бы учитывали процессы диссоциации, ионизации газа на фазе сжатия. Численное решение здесь отыскивается методом Годунова (Годунов и др. [122]) с применением подвижной сетки, равномерной в газе и неравномерной в жидкости (размер ячеек в жидкости увеличивается по геометрической прогрессии от поверхности пузырька), как описано в работе Nigmatulin'a et al. [72]. В работе Мельникова и др. [127] рассмотрен процесс сжатия парового пузырька под воздействием мгновенно приложенного давления. Проанализированно влияние начальных параметров на динамику сжатия. Выявлены условия возникновения ударных волн в пузырьке. Исследователи из Университета Purdue ученые Хи и Butt [104] подтвердили возможность ядерного синтеза с .помощью звуковых волн. Этот эксперимент подтвердил результаты группы Taleyarkhan'a et al. [95]. В университете Purdue начата процедура официальной верификации экспериментов профессора Taleyarkhan'a и его группы.
Ранее критики отмечали, что Taleyarkhan [95] использовал внешний источник нейтронов, чтобы инициировать появление пузырьков, что осложняло определение истинного выхода нейтронов, образовавшихся в реакциях слияния ядер. В самом начале 2006-го года появилась информация, что Taleyarkhan с коллегами произвели новый эксперимент, который позволил дать ответ на этот вопрос. На этот раз ученые обошлись без использования внешних источников нейтронов вообще - пузырьки образовывались в среде, состоящей из смеси бензола с урановой солью и жидкого ацетона, в котором нормальные атомы водорода были заменены дейтерием (C$DqO). В процессе спонтанного деления ядер урана образуются альфа-частицы, которые также могут инициировать образование пузырьков. Тем не менее, их легко отличить от нейтронов. Хотя уран также может испускать нейтроны в ходе реакций расщепления, Taleyarkhan утверждает, что они характеризуются иными энергиями, что позволяет без труда отделить эти нейтроны от тех, что выделяются при слиянии двух ядер дейтерия.
Результаты проведенных исследований будут опубликованы в журнале Physical Review Letters в ближайшее время.
Наряду с радиальной динамикой пузырька значительный интерес представляет также эволюция его формы. Уровни физических параметров газа и жидкости при сжатии в значительной степени зависят от формы пузырьков. При сферическом сжатии пузырька значения параметров будут максимальны. Несферическое же сжатие пузырьков вблизи твердых стенок может вызывать образование сверхзвуковых струек, которые могут приводить к разрушению поверхности стенки. Plesset и Chapman [77] решали численно задачу схлопывания пузырька около стенки в идеальной несжимаемой жидкости. Принималось, что в начальный момент времени пузырек имел сферическую форму. Скорость струи при ударе о стенку получалась порядка 100 м/с, что совершенно недостаточно для разрушения большинства твердых поверхностей. В работе Воиновых [120] сделаны расчеты схлопывания уже изначально деформированного пузырька. Обнаружено, что с ростом плавной начальной деформации скорость струйки может в десятки раз возрастать, что чрезвычайно усиливает ее разрушающую способность.
При анализе динамики несферического пузырька газа в жидкости с относительно небольшими отклонениями геометрии межфазной границы от сферической широко используются математические модели, в которых поверхность пузырька представляется в виде суммы поверхностных сферических гармоник с соответствующими коэффициентами. Эти коэффициенты характеризуют отклонение геометрии поверхности пузырька от сферической по соответствующей гармонике. Они входят в состав неизвестных, по отношению к которым ставится задача. Модуль коэффициента характеризует амплитуду отклонения от сферы, а знак - направленность отклонения в определяемых гармоникой областях поверхности, внутрь сферы при одном знаке и наружу - при другом. Если отклонения геометрии поверхности пузырька от сферической малы, то в терминах указанных коэффициентов обычно используется линейная постановка задачи. При немалых отклонениях задача по отношению к ним ставится как нелинейная.
В рамках подхода, основанного на представлении поверхности пузырька в виде суммы поверхностных сферических гармоник с соответствующими коэффициентами, Lamb [45] получил выражения для скорости затухания малых гармонических колебаний формы пузырька в вязкой жидкости. Birkhoff [15] показал, что коллапсирующие пузырьки по отношению к малым возмущениям сферической формы являются неустойчивыми и что на этот результат не влияет поверхностное натяжение. Plesset [76] получил условия устойчивости сферической границы между двумя невязкими иесмешиваемыми жидкостями в радиальном движении. BirkhorT [16] доказал теорему, при выполнении условий которой сферическая поверхность пузырька в случае малых искажений является устойчивой. Plesset and Mitchell [79] в линейной постановке без учета вязкости жидкости рассмотрели задачу устойчивости формы парового пузырька при колебаниях под действием скачка давления в бесконечности. В такой же постановке Eller и Grum [29] исследовали устойчивость колебаний сферического пузырька в воде при гармоническом изменении давления окружающей жидкости с частотой . Теоретические результаты сравниваются с экспериментальными. Для случая малых искажений сферической формы пузырька Prosperetti [82] предложил наиболее точный способ учета вязкости жидкости, в рамках которого учитывается нестационарная диффузия завихренности жидкости. Математически он выражается в виде системы интегро-дифференциальных уравнений.
В подавляющей части работ по динамике несферических пузырьков, рассмотренных в обзоре Plesset and Prosperetti [80], используется описанный выше подход, основанный на представлении поверхности пузырька в виде суммы поверхностных сферических гармоник, С применением этого под- хода Hall и Seminara [36] изучали нелинейную устойчивость газового пузырька в акустическом поле. При этом влияние вязкости жидкости не учитывалось. Prosperetti [84], используя преобразование Лапласа, рассматривал свободные колебания пузырьков. Вязкость жидкости учитывалось согласно Prosperetti [82]. Tsamopoulos и Brown [96] рассмотрели свободные нелинейные осесимметричные колебания пузырьков в невязкой несжимаемой жидкости. Приведены сравнения с результатами численных расчетов и экспериментов. Kang и Leal [43] рассмотрели установившиеся нелинейные колебания поверхности пузырька газа в потоке невязкой несжимаемой жидкости. Дается способ приближенного учета вязкости в этой задаче. Longuet-Higgins [52,53] рассматривал возникновение радиальных колебаний невязкой несжимаемой жидкости, обусловленных несферическими колебаниями формы пузырька за счет нелинейного взаимодействия между поверхностными гармониками. Benjamin [14] показал, что результаты, полученные в работах Longuet-Higgins'а [52, 53],-можно получить проще, используя вириальные уравнения, введенные в работе Benjamin'a [13]. Воинов и Перепелкин [121] в линейной постановке без учета вязкости жидкости анализировали устойчивость сферической поверхности газового пузырька, радиально пульсирующего в жидкости.
Особенности деформаций поверхности пузырька в линейном приближении при нелинейных радиальных колебаниях рассматриваются в работах Воинова [118.119]. В первой работе вязкость жидкости не учитывается, а во второй жидкость считается маловязкой. В работе Voinov [98] рассмотрен ряд механизмов вызывающих разрушение пузырька при его нелинейных пульсациях в маловязкой жидкости. Asaki и Marston [9] с учетом вязкости согласно Prosperetti [82] исследовали свободное затухание колебаний формы пузырьков, акустически запертых в воде и морской воде. Roberts и Wu [93] также с учетом вязкости согласно Prosperetti [82] рассмотрели свободное затухание колебаний формы пузырька.
При упрощенном по сравнению с Prosperetti [82] учете вязкости Hilgenfeldt et al. [40] рассчитали фазовые диаграммы устойчивости формы пузырька на режиме SBSL. Используется линейная по искажениям сферической формы пузырька постановка задачи. В той же постановке в своем обзоре Hilgenfeldt et al. [38] привели краткий анализ искажения сферической формы пузырька на режиме SBSL. Prosperetti и Нао [89] изучали устойчивость сферической формы газового пузырька при колебаниях на режиме SBSL. Используется линейная по искажениям сферической формы пузырька постановка задачи. Вязкость жидкости учитывается упрощенно. В усложненной постановке с учетом вязкости жидкости по Prosperetti [82] и с учетом теплопроводности газа Нао и Prosperetti [37] провели анализ устойчивости сферических колебаний газовых пузырьков для случая, рассмотренного экспериментально Holt'ом and Gaitan'oM [41]. Результаты расчетов показали удовлетворительное согласование с экспериментальными данными. В той же постановке задачи, но без учета теплопроводности газа в пузырьке Wu и Roberts [103] изучали устойчивость сферических колебаний пузырька на режиме SBSL. Обзор характера влияния малых деформаций поверхности пузырька на проявление феномена сонолюминесценции можно найти в работе Putterraan'a и Weninger'a [91]. Аганин и Гусева [112], Aganin и Guseva [2], Aganin et al. [3] исследовали изменение малых начальных искажений сферической поверхности пузырька при его сильном однократном расширении-сжатии. Lin'a, Storey и Szeri [50] при изучении эволюции искажения формы пузырька учитывали изменение плотности газа в пузырьке.
Во многих задачах динамики несферического пузырька важную роль играет вязкость жидкости. До недавнего времени в задачах динамики пузырька с малыми отклонениями формы от сферической влияние вязкости жидкости учитывалось по отношению к модели Навье-Стокса приближенно. В частности, в работах Lamb'a [45], Воинова [118] с этой целью использо- валось решение задачи затухания искажения сферической формы пузырька в сферически симметричном поле массовых сил. Аналогичное описание вязкости получается в предположении, что влияние завихренности жидкости проявляется лишь в поверхностном слое, вне которого движение является потенциальным, что реализовано в работе Нао и Prosperetti [37]. Воинов [118] показал, что указанный способ позволяет получать удовлетворительные результаты при малой вязкости жидкости или больших размерах пузырька. Открытие явления SBSL стимулировало исследование искажений сферичности пузырьков микронных размеров. А чем меньше размеры пузырька, тем влияние вязкости существеннее. Поэтому при изучении этого явления наряду с описанием вязкости жидкости согласно [45], [118], [37] стали применять способ учета вязкости согласно Prosperetti [82], а также ряд основанных на нем приближенных способов Hilgenfeldt'a и др. [40], Аганина и Ильгамова [109], Ильгамова и др. [124], различающихся учетом вихревого движения жидкости. В математическом плане он значительно проще, чем уравнения Навье-Стокса, но значительно сложнее, чем приближенные способы, не учитывающие нестационарную диффузию завихренности. И в этом смысле замена точного способа Prosperetti [82] на соответствующий рассматриваемой задаче приближенный способ представляет значительный интерес. Было установлено (см., например, [40], [109], [124]), что на режиме SBSL условие устойчивости сферической формы неплохо оценивается и с применением приближенных способов.
При немалых отклонениях геометрии пузырька от сферической, когда задача по отношению к ним является нелинейной, влияние вязкости учитывается упрощенно с применением более сильных, чем в работе Prosperetti [82] ограничений. В работах Wu и Roberts'a [100] и Нао и Prosperetti [37] показано, что в задаче устойчивости сферической формы пузырька при периодических колебаниях давления в жидкости согласование решений, полученных согласно приближенным способам описания вязкости и согласно Prosperetti [82], может быть как вполне удовлетворительным так и нет.
На основании приведенного обзора можно сделать вывод, что влияние вязкости жидкости на несферические колебания пузырька изучено недостаточно. Оно изучалось, в основном, с применением приближенных способов учета вязкости, область применимости которых также является недостаточно исследованной.
Целью настоящей диссертации является исследование влияния вязкости жидкости на эволюцию малого искажения сферической формы пузырька при его больших расширениях-сжатиях.
Научная новизна. В рамках математической модели, в которой движение жидкости и газа разлагается на сферическую составляющую (нулевое приближение) и ее малое несферическое возмущение (первое приближение) разработана эффективная методика расчета влияния вязкости жидкости по модели, в рамках которой учитывается нестационарная диффузия завихренности жидкости.
Исследованы особенности влияния вязкости жидкости при свободном затухании малых искажений сферической формы газового пузырька в широком диапазоне изменения вязкости и номера поверхностной сферической гармоники, определяющей отклонение формы пузырька от сферической. Уточнены области применимости известных приближенных способов учета влияния вязкости, не учитывающих нестационарный характер диффузии завихренности жидкости. Предложен новый приближенный способ учета влияния вязкости, удовлетворительно описывающий затухание искажений в более широкой области изменения физических параметров.
Исследовано влияние нестационарного характера диффузии завихренности жидкости на изменение искажения сферичности газового пузырька на режиме его периодических расширений-сжатий. Установлено, что в зависимости от специфики влияния поля завихренности могут наблюдаться режимы диффузионного и экспоненциального затухания колебаний искажения, режимы «скачущего» и ускоренного диффузионного затухания, экспоненциального роста, а так же переходы одного режима в другой. Показано, что нестационарная диффузия завихренности может вызывать увеличение искажения на фазе относительно медленного роста пузырька.
Исследована эволюция малых искажений сферической формы парового пузырька в условиях известных экспериментов по ядерному излучению при акустической кавитации в дейтерировашюм ацетоне [95]. При этом сферическая составляющая движения межфазной границы описывается с применением полной системы уравнений гидродинамики как для жидкости, так и для пара. При описании эволюции малого несферического возмущения влияние вязкости жидкости описывается уравнениями Просперетти, преобразованными для учета влияния плотности газа и неоднородности его давления. Для изучения динамики паровых пузырьков такая модель применяется впервые.
Получены первые оценки максимально возможных искажений сферической формы парового пузырька в рамках экспериментов по ядерному излучению при акустической кавитации. Установлено, что сферичность пузырька обладает большим запасом устойчивости относительно возмущений, возникающих при образовании зародыша пузырька. По мере увеличения радиуса пузырька, при котором возникают возмущения, уменьшение влияния вязкости способствует понижению запаса устойчивости его сферичности. Наименьшая устойчивость сферичности проявляется к возмущениям, возникающим в окрестности перехода от расширения к сжатию. Пренебрежение влиянием плотности газа и неоднородности его давления при описании эволюции искажения завышает значение искажения на момент коллапса в несколько раз. При этом порядок степени роста искажения не изменяется: она остается меньше ~ 103 раз не зависимо от номера сферической поверхностной гармоники и радиуса, при котором возникает искажение.
Практическая ценность. Разработанная методика расчета может быть использована для изучения влияния вязкости в задачах динамики газовых пузырьков в жидкости.
Уточнение области применимости известных приближенных моделей учета влияния вязкости имеет важное значение для оценки достоверности получаемых с их применением результатов. В работе предложен новый приближенный способ, дающий удовлетворительное описание затухания искажений в более широкой области изменения параметров задачи, что представляет ценность при решении задач, в которых полный учет вязкости может представлять значительные трудности.
Результаты исследования влияния нестационарного характера диффузии завихренности движения жидкости на изменение искажения сферичности пузырька на режимах его периодических расширений-сжатий могут быть использованы для понимания возникновения переходных режимов колебаний формы пузырька, для оценки их продолжительности, а также для более точного определения уровней искажения при возможной реализации импульсно-периодического воздействия на пузырек.
Результаты, полученные для парового пузырька, служат теоретическим обоснованием возможности протекания режима суперсжатия пузырька (явления ядерного излучения при акустической кавитации) относительно вопроса об устойчивости его сферичности и могут применяться при планировании экспериментов по реализации этого явления.
Достоверность результатов обеспечивается корректным применением уравнений динамики пузырька в вязкой жидкости, тщательным тестированием методики расчета путем сравнения с известными асимптотическими решениями, результатами расчетов с применением других методов и других авторов, а также с известными экспериментальными данными.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на следующих конференциях, научных школах и семина- на 16 и 17 сессиях Международной школы по моделям механики сплошной среды (Казань, 2002, 2004); на Всероссийской школе-семинаре молодых ученых и специалистов под рук. академика РАН В.Е.Алемасова «Проблемы тепломассообмена и гидродинамики в энергомашиностроении» (Казань, 2002, 2004): на семинаре в Институте механики и математики им. Чеботарева под руководством профессора А.В. Костерипа, (Казань, 2002); на Всероссийском совещании по сверхсжатию пузырька под руководством академика Р.И. Нигматулина (Уфа, 2002); на итоговых конференциях Института механики и машиностроения КазНЦ РАН (Казань, за 2003, 2004, 2005); на V Международной научной школе-семинаре «Импульсные процессы в механике сплошных сред» (Украина, г. Николаев, 2003); на Третьей всероссийской молодежной научной школе-конференции (Казань, 2003); на Международной летней научной школе «Гидродинамика высоких скоростей» (Чебоксары, 2004); на семинаре в Институте механики и машиностроения КазНЦ РАН в 2002г.
Публикации. Результаты диссертации опубликованы в 17 работах, в том числе в 12 статьях и 5 тезисах. Основное содержание работы отражено в публикациях [6,113-116,124,129,130,133]
Работа состоит из введения, четырех глав, содержащих восемнадцать параграфов, заключения и списка литературы, изложенных на 130 листах, включая 33 рисунка. Список литературы состоит из 134 наименований.
Во введении отмечена практическая ценность и актуальность проблем, рассматриваемых в диссертации. Дан краткий обзор работ, посвященных теоретическим и экспериментальным исследованиям динамики жидкости с парогазовыми пузырьками. Определены цели работы, сформулирована ее научная новизна. Приведена аннотация разделов диссертации.
В первой главе выписана система уравнений динамики газового пузырька в вязкой несжимаемой жидкости с малыми искажениями его сферической формы. В системе уравнений при описании эффекта вязкости жидкости для случая малых искажений сферической формы пузырька учитывается нестационарная диффузия завихренности жидкости. Приведена разработанная эффективная методика решения задач динамики несферического пузырька. Проиллюстрирована эффективность методики сравнением с результатами расчетов других авторов и экспериментальными данными.
Во второй главе рассматривается влияние вязкости жидкости на затухание малого начального искажения сферической формы пузырька в широком диапазоне изменения вязкости и номера поверхностной сферической гармоники, определяющей отклонение формы пузырька от сферической. Исследована возможность применения известных в литературе дополнительных упрощающих предположений относительно влияния вязкости. Выявлены границы их применимости с точки зрения качественного описания эффекта вязкости. Рассмотрены асимптотики для очень большой и очень малой вязкости, а также для искажений, определяемых высокочастотными гармониками. Исследовано влияние вихревого движения жидкости.
В третьей главе исследованы большие расширения-сжатия пузырька под действием внешнего периодического возбуждения. Установлено, что влияние вязкости жидкости проявляется в результате сложного взаимодействия ближнего и дальнего полей завихренности. Выявлены характерные сценарии такого взаимодействия и проиллюстрированы принципиальные различия решений, полученных с учетом нестационарной диффузии завихренности и без.
В четвертой главе рассмотрен случай сверхбольшого однократного расширения-сжатия парового пузырька в условиях максимально приближенных к условиям экспериментальной реализации явления ядерного излучения при акустической кавитации. Изучено влияние вязкости жидкости на изменение искажения сферической формы пузырька. Получены оценки уровня максимально возможных возмущений сферичности пузырька в зависимости от вида возмущения и момента его возникновения. Показана сильная зависимость влияния вязкости жидкости на эволюцию искажения от указанных факторов.
В заключении представлены основные результаты и выводы.
Во всех публикациях по теме диссертации вклад соавторов заключается в постановке задач, участии в разработке методики расчета и обсуждении полученных результатов. Вклад автора в них состоит в участии в разработке методики расчета, проведении расчетов и анализе полученных результатов. Кроме того, в работе [113], автору принадлежит участие в разработке некоторых приближенных моделей учета вязкости.
Автор выражает большую признательность соавторам большинства своих работ научному руководителю доктору физико-математических наук Аганину А.А. и члену-корреспонденту РАН М.А. Ильгамову за постоянное внимание к работе и полезные консультации. Автор благодарит всех сотрудников лаборатории ВДСС ИММ КазНЦ РАН за поддержку и внимание. Следует отметить финансовую помощь Российского фонда фундаментальных исследований (проекты No№ 02-01-00100-а, 03-01-06265-МАС, 05-01-00415-а, ОЗ-ОІ-10848-з), Фонда научно-исследовательских и опытно-конструкторских разработок Республики Татарстан (проект №№ 05.5.5-208-2003(ф), 05-5.4-397-2005(ф)), Российской Академии Наук (программа 10002-251/ОЭМППУ-13/079-083/190603-773), федеральной целевой программы «Интеграция» (№ Б0020), позволившую ускорить выполнение и написание диссертации.
Математическая модель и методика расчета влияния вязкости жидкости в динамике несферического пузырька
Жидкости, испытывающие значительные перепады давления, широко применяются в самых различных отраслях народного хозяйства: энергетике, химии, медицине, трубопроводном транспорте и др. Обычно в жидкостях всегда имеется большое количество пузырьков. Наличие пузырьков, которые вследствие перепада давления в жидкости могут претерпевать расширения-сжатия, может существенно влиять на свойства жидкостей. Давление, температура и плотность газа в полости пузырьков при сжатии, а вместе с этим и свойства содержащих пузырьки жидкостей, в значительной степени зависят от формы пузырьков. А именно, при сферическом сжатии значения указанных параметров максимальны, а по мере увеличения отклонения от сферичности будут уменьшаться. С другой стороны при радиальных колебаниях пузырька с большой амплитудой несферическое сжатие пузырьков вблизи твердых стенок может вызывать образование сверхзвуковвіх струек, которые при определенных условиях приводят к эрозии поверхности стенки. Все это представляет интерес не только с механической точки зрения, но и для физики, химии, биологии, медицины.
Примером явления, при котором наблюдаются химические реакции, диссоциация и ионизация газа, служит периодическая сонолюмииесценция отдельного пузырька, под которой понимается периодическое испускание коротких световых импульсов маленьким газовым пузырьком, совершающим колебания в пучности ультразвуковой стоячей волны давления. Особенного внимания заслуживает активно обсуждаемое относительно недавно экспериментально открытое академиком Р.И.Нигматулиным и его американскими коллегами явление ядерного излучения при акустической кавитации (выхода нейтронов и ядер трития при акустическом возбуждении кластера паровых пузырьков в дейтерированном ацетоне, 2002г.). Первые результаты исследований явления ядерного излучения при акустической кавитации позволяют предположить, что в момент максимального сжатия парового пузырька внутри него возникают состояния вещества с температурой до миллиона градусов и выше. Возникли идеи использовать это явление в качестве механизма получения ядерной энергии. Для того чтобы этот механизм заработал как неограниченный источник дешевой энергии, необходимо решить, по крайней мере, одну принципиальную проблему, которая состоит в том, как достигнуть таких степеней сжатия парового пузырька, при которых выход энергии был бы максимальным. Форма межфазной поверхности, близкая к сферической, является одним из необходимых условий экспериментальной реализации режима суперсжатия пузырька, при котором наблюдается явление ядерного излучения при акустической кавитации. Во многих случаях колебания формы пузырька сильно зависят от вязкости жидкости. С уменьшением размеров пузырька ее влияние возрастает. Особенно это проявляется для искажений по высокочастотным гармоникам. Поэтому изучение влияния вязкости жидкости в динамике несферического пузырька является актуальным.
До относительно недавнего времени для теоретического исследования радиальных колебаний пузырька газа в жидкости применялись в основном модели типа Рэлея-Ламба-Плесета, в которых разрежение-сжатие газа в пузырьке принимается по всему объему равномерным, а окружающая пузырек жидкость - несжимаемой или слабо сжимаемой. Впервые исследования динамики пузырька были проведены Rayleigh eM [92], который решил задачу сферического схлопывания пустой полости в большом объеме невязкой несжимаемой жидкости при постоянном в ней давлении. Развил модель Рэлея для учета вязкости, поверхностного натяжения и изменяющегося со временем давления Plesset [75]. Noltingk и Neppiras [65,73] применили политропический закон для описания изменения давления газа в пузырьке. Более полный учет вязкости жидкости в уравнении движения пузырька в несжимаемой жидкости был рассмотрен Poritsky [81]. Lauterborn [46] предлагал на уравнение Рэлея-Плессета, в котором газ удовлетворяет политропическому закону и учитывается влияние вязкости, поверхностного натяжения, переменного давления в жидкости, ссылаться как на RPNNP-уравнениє. RPNNP обозначает первые буквы имен ученых, внесших вклад в создание конечного вида уравнения: Rayleigh [92], Plessel; [75], Noltingk и Neppiras [65,73], Poritsky [81].
Влияние вязкости жидкости при свободном затухании начального искажения газового пузырька
Одна из последних моделей типа Рэлея-Плессета предложена в работе Нигматулииа и др. [131]. В отличие от других моделей при ее построении окружающая пузырек жидкость разбивается на две зоны. Принимается, что в ближней к пузырьку зоне, которая составляет от 1 до 10 радиусов пузырька, жидкость несжимаема, а в дальней справедливо акустическое приближение. Сшивка зон производится асимптотически через промежуточную бесконечность. Другое отличие этой модели от аналогичных моделей состоит в том, что в ней учитываются не только волны, расходящиеся от пузырька, но и волны, отраженные от внешней поверхности жидкого объема.
Свободные радиальные колебания пузырька впервые изучал Minnaert [60]. Импульс, вызывающий колебания пузырька, предполагался малым, вследствие чего пузырек аппроксимировался линейным осциллятором. Пульсации происходили с хорошо известной резонансной частотой. Исследовано затухание колебаний по причине тепловых и вязкостных потерь. Minnaert [60] впервые вычислил собственную частоту колебаний сферического газового пузырька в жидкости, испытывающего простые гармонические колебания малой амплитуды. Более поздние исследования задачи свободных колебаний пузырька с малой амплитудой можно найти, например, у Chapmen a и Plesset a [20].
Затухание колебаний пузырьков на резонансной частоте исследовал также Devin [25]. Devin использовал логарифмический декремент затухания для описания затухания колебаний изменения объема пузырька. Eller [27] распространил эти исследования на случай затухания пузырьков, приводимых в движение на нерезонансных частотах, но только для предельного случая, когда длина волны возбуждающего акустического поля (как в жидкости, так и в газе) много больше, чем радиус пузырька.
Plesset и Prosperetti [80], Apfel [10] и Prosperetti [86,87] сделали обзор исследований затухания колебаний сферических пузырьков. Использование политропического приближения для внутреннего давления в пузырьке, содержащего преимущественно неконденсируемый газ, очевидно, не является корректным при некоторых условиях. Подробное рассмотрение варьирования показателя политропы и тепловых потерь с использованием законов сохранения массы, момента и энергии приведено в работах Plesset a и Prosperetti [80], Prosperetti [83], Chapmen a и Plesset a [21], Devin a [25], Plesset a и Hsieh a [78] и др.
Prosperetti [83] отошел от приближения пространственной однородности в пузырьке. Основываясь на модели Fanelli, Prosperetti и Reali [31,32] вынужденных пульсаций пузырька с малой амплитудой, которая учитывает пространственную неоднородность плотности, давления, скорости, концентрации и температуры как в пузырьке так и вне его, Fanelli, Prosperetti и Reali [33] дают математическое объяснение для пузырька, содержащего газ и пар, который испытывает линейные колебания формы. Miksis и Ting [59] предоставили систему линейных дифференциальных уравнений для радиальных пульсаций пузырька с учетом поверхностного натяжения, тепловых и вязкостных эффектов в предположении тонкого теплового погранслоя в газе, который при линеаризации сводится к результатам Prosperetti [83].
Исследования нелинейного характера затухания вынужденных колебаний пузырька, в том числе и экспериментальные Crum a и Prosperetti [22], и их формулировка базировались на определении внутреннего давления в пузырьке согласно работе Prosperetti, Crum a и Commander a [90]. Нелинейная модель, первоначально предложенная Нигматулиным и Хабеевым [69]. которые производили аппроксимацию пространственно однородного внутреннего давления, оказалась очень эффективной. Ее применение можно найти в работах Flynn a [34], Нигматулина и Хабеева [70], Нагиева и Хабе-ева [64], Нигматулина, Хабеева и Нагиева [71], Kamath a и Prosperetti [42], Prosperetti [88].
Испарение-конденсация пара и массовые потоки (в результате диффузии газа в жидкость или из нее) на стенке пузырька могут оказывать существенное влияние на затухание колебаний пузырьков (см, напр., работы Fanelli, Prosperetti и Reali [31,32], Prosperetti [85]).
Lin, Storey и Szeri [49] предложили свой способ приближенного учета пространственной неоднородности поля давления в пузырьке .
Vaughan и Leeman [97] предложили употреблять термин «акустическая кавитация» для обозначения нелинейных колебаний пузырька, среди которых выделяют три вида колебаний: 1) дозвуковая кавитация, при которой скорость поверхности пузырька всегда меньше, чем скорость звука в газе и жидкости; 2) «кавитация газовой фазы», при которой скорость поверхности меньше скорости звука в жидкости, но больше скорости звука в газе; 3) «кавитация жидкой фазы», при которой скорость поверхности пузырька больше скоростей звука и в газе и в жидкости. В монографии Leighton a [48[ приводятся минусы этой классификации, и не делается вывод об ее превосходстве над другими. Кроме монографии Leighton a [48] среди обобщающих изданий по динамике пузырька отметим монографию Brennen a [17].
Влияние вязкости жидкости при периодических колебаниях несферического газового пузырька
Сильный импульс исследованиям нелинейных колебаний пузырька газа в жидкости дали экспериментальные открытия в начале 90-х годов явлений однопузырьковой сонолюминесценции Gaitan oM et al. [35] (устойчивого периодического свечения отдельного газового пузырька в стоячей акустической волне SBSL) и в 2000г. ядерного излучения при акустической кавитации Nigmatulm biM et al. [95] (выхода нейтронов и ядер трития при акустическом возбуждении кластера пузырьков в дейтерированном ацетоне).
Обсуждение различных физических и механических аспектов явления SBSL можно найти в обзорных работах Barber a et al. [11], Matula [56]. В частности, было выявлено Gaitan oM et al. [35], что испускание происходит в строго определенной фазе колебаний звукового давления в стоячей волне. Barber and Putterman [12] измерили длительность световых импульсов 50-250 пс. В работах Hilgenfeldt a and Lohse [39], Moss a et al. [63], Nigmatulin;a et al. [68], Simonenko et al. [94], Aganin a and Ilgamov a [4] приведены результаты поисков способов масштабирования периодической SBSL, то есть способов достижения в пузырьке еще более высоких температур и плотностей вещества. Эти исследования представляют большой интерес для физики высоких плотностей и энергий (Simonenko et al. [94]). В целях масштабирования явления SBSL варьируются жидкость и растворяемый в ней газ, температура и статическое давление жидкости, амплитуда и частота возбуждения, концентрация растворенного в жидкости газа (Crum et al. [24], Matula [56], ОЫ et al. [74], Маргулис [126]), в работе Moraga et al. [61] исследуется влияние включения в закон возбуждения высокочастотных гармоник, в работах Аганина и Ильгамова [105], Нигматулина и др. [132] изу чаются негармонические законы возбуждения.
Для достижения периодических колебаний пузырька в пучности стоячей волны давления необходимо удовлетворять ряду довольно жестких условий устойчивости (Brenner et al. [18]). Природа неустойчивости может быть различной - диффузионная (Crum and Cordry [23]), параметрическая и Релей-Тейлора (Brenner et al. [19]), химическая (Lohse et al. [54.55], Matula and Crum [58]). Запирание пузырька в пучности давления стоячей волны обусловлено действием первичной силы Бъеркнесса, компенсирующей действие выталкивающей силы Архимеда. Неустойчивость колебаний пузырька может быть вызвана также и изменением величины (или даже направления) силы Бъеркнесса (Akhatov et al. [8], Matula et al. [57]). Walton и Reynolds [99] рассмотрели пульсации пузырьков в стоячей волне давления. В зависимости от размера пузырьков - большего или меньшего резонансного - исследовано движение пузырьков под действием силы Бьеркнесса из области узла давления в ее пучность и обратно. Устойчивыми радиальные колебания пузырька нельзя назвать при хаотических режимах колебания. Режимы, обнаруженные Lauterborn oM в 1976 [46], в которых не существует обычных устойчивых состояний (периодического решения для движения пузырька) являются фактически хаотическими [47]. Kamath и Prosperetti [42] представили количественные изменения в радиальной динамике пузырька на бифуркационной диаграмме. Б зависимости от амплитуды внешнего акустического возбуждения радиальные колебания пузырька могут иметь, фактически, до нескольких периодов, а могут быть хаотическими.
Анализ влияния диффузии газа через границу пузырька был проведен в работе ЕНег а и Flynn a [30] при изотермическом приближении граничных условий. ЕПег [28] развил эту теорию для неизотермических граничных условий и применил ее для адиабатического случая. ЕПег [26] измерил влияние диффузии газа через межфазную границу на рост пузырьков, за пертых в пучности ультразвуковой волны давления с частотой 26,6 кГц при амплитуде изменения давления 0.3 бара. Сила Бьеркнеса удерживала пузырек на месте пока проводились измерения, которые показали изменение радиуса пузырька от 15 мкм до 90 мкм. ЕПег [28] измерил рост радиуса пузырьков от 50 мкм до 200 мкм в акустическом поле с частотой 11 кГц с той же амплитудой изменения давления 0.3 бар.
Сравнение расчетных и экспериментальных данных касающихся явления SBSL показывает (Lofstedt et al. [51]), что в подавляющей части периода модель Рэлея-Ламба-Плессета дает правильное изменения радиуса пузырька во времени, и лишь в финальной стадии имеют место существенные расхождения. Расчеты Wu и Roberts a [101,102] показывают, что на финальной стадии охлопывания пузырька внутри него возникают ударные волны, причем имеет место взаимодействие расходящихся ударных волн с границей между газом и жидкостью. Поэтому для моделирования схлопывания пузырька необходимо применять полную гидродинамическую, модель не только для газа, но и для жидкости. Моделирование динамики пузырька с использованием уравнений газовой динамики для обеих сред было выполнено MOSS OM et al. [62,63]. В работах Аганина и Ильгамова [106-108,110], Аганина и др. [Ill], Aganin a [1] был реализован переход от простой модели Рэлея-Ламба-Плессета, использование которой является совершенно оправданным практически на всем периоде за исключением финальной стадии схлопывания пузырька, где уже применялась полная гидродинамическая модель. Был изучен механизм образования и эволюции ударных волн в газовом пузырьке.
Искажение сферичности парового пузырька в дейтерированном ацетоне
Изучение динамики пузырька в жидкости на режимах больших расширений-сжатий (Akhatov et al. [7]) и сверхбольших расширений-сжатий, характерных для ядерного излучения при акустической кавитации (Беляев и др. [117]) требует применения полной системы уравнений газовой динамики в жидкости и газе, а также сложных уравнений состо яния, которые бы учитывали процессы диссоциации, ионизации газа на фазе сжатия. Численное решение здесь отыскивается методом Годунова (Годунов и др. [122]) с применением подвижной сетки, равномерной в газе и неравномерной в жидкости (размер ячеек в жидкости увеличивается по геометрической прогрессии от поверхности пузырька), как описано в работе Nigmatulin a et al. [72]. В работе Мельникова и др. [127] рассмотрен процесс сжатия парового пузырька под воздействием мгновенно приложенного давления. Проанализированно влияние начальных параметров на динамику сжатия. Выявлены условия возникновения ударных волн в пузырьке. Исследователи из Университета Purdue ученые Хи и Butt [104] подтвердили возможность ядерного синтеза с .помощью звуковых волн. Этот эксперимент подтвердил результаты группы Taleyarkhan a et al. [95]. В университете Purdue начата процедура официальной верификации экспериментов профессора Taleyarkhan a и его группы.
Ранее критики отмечали, что Taleyarkhan [95] использовал внешний источник нейтронов, чтобы инициировать появление пузырьков, что осложняло определение истинного выхода нейтронов, образовавшихся в реакциях слияния ядер. В самом начале 2006-го года появилась информация, что Taleyarkhan с коллегами произвели новый эксперимент, который позволил дать ответ на этот вопрос. На этот раз ученые обошлись без использования внешних источников нейтронов вообще - пузырьки образовывались в среде, состоящей из смеси бензола с урановой солью и жидкого ацетона, в котором нормальные атомы водорода были заменены дейтерием (C$DQO). В процессе спонтанного деления ядер урана образуются альфа-частицы, которые также могут инициировать образование пузырьков. Тем не менее, их легко отличить от нейтронов. Хотя уран также может испускать нейтроны в ходе реакций расщепления, Taleyarkhan утверждает, что они характеризуются иными энергиями, что позволяет без труда отделить эти нейтроны от тех, что выделяются при слиянии двух ядер дейтерия.
Результаты проведенных исследований будут опубликованы в журнале Physical Review Letters в ближайшее время.
Наряду с радиальной динамикой пузырька значительный интерес представляет также эволюция его формы. Уровни физических параметров газа и жидкости при сжатии в значительной степени зависят от формы пузырьков. При сферическом сжатии пузырька значения параметров будут максимальны. Несферическое же сжатие пузырьков вблизи твердых стенок может вызывать образование сверхзвуковых струек, которые могут приводить к разрушению поверхности стенки.
Plesset и Chapman [77] решали численно задачу схлопывания пузырька около стенки в идеальной несжимаемой жидкости. Принималось, что в начальный момент времени пузырек имел сферическую форму. Скорость струи при ударе о стенку получалась порядка 100 м/с, что совершенно недостаточно для разрушения большинства твердых поверхностей. В работе Воиновых [120] сделаны расчеты схлопывания уже изначально деформированного пузырька. Обнаружено, что с ростом плавной начальной деформации скорость струйки может в десятки раз возрастать, что чрезвычайно усиливает ее разрушающую способность.
При анализе динамики несферического пузырька газа в жидкости с относительно небольшими отклонениями геометрии межфазной границы от сферической широко используются математические модели, в которых поверхность пузырька представляется в виде суммы поверхностных сферических гармоник с соответствующими коэффициентами. Эти коэффициенты характеризуют отклонение геометрии поверхности пузырька от сферической по соответствующей гармонике. Они входят в состав неизвестных, по отношению к которым ставится задача. Модуль коэффициента характеризует амплитуду отклонения от сферы, а знак - направленность отклонения в определяемых гармоникой областях поверхности, внутрь сферы при одном знаке и наружу - при другом. Если отклонения геометрии поверхности пузырька от сферической малы, то в терминах указанных коэффициентов обычно используется линейная постановка задачи. При немалых отклонениях задача по отношению к ним ставится как нелинейная.
Похожие диссертации на Влияние вязкости жидкости на эволюцию малых возмущений сферической формы газового пузырька
