Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow Естествознание arrow Основы кавитационной обработки многокомпонентных сред
Посмотреть оригинал

Элементы кавитационной технологии

Феноменологическая модель механолиза воды

Рассматриваемый феномен лежит в основе специфических свойств и связанных с ними явлений, происходящих в воде, подвергнутой механическому (гидродинамическому) воздействию. Модифицированная в результате гидромеханической обработки (или, как называют, активированная) вода способна интенсифицировать примерно на 30 % ряд технологических процессов. Здесь под термином «активированная вода» будем иметь в виду общепринятое понятие активной среды, т. е. вещества, в котором распределение частиц (атомов, молекул, ионов) по энергетическим состояниям не является равновесным и хотя бы для одной пары уровней энергии осуществляется инверсия населенности.

Активация твердых и жидких систем, приводящая к изменению их физических и химических свойств, реакционной способности, дефектной (примесной) структуры и т.п., может быть осуществлена различными внешними воздействиями: слабыми и сильными. К таким воздействиям можно, в частности, отнести механическую, магнитную, ультразвуковую обработку, радиационное воздействие (например облучение гамма-квантами и ионными пучками), а также термообработку. Методы активации можно подразделить на методы, разрушающие образцы в целом (диспергация) и не разрушающие, а изменяющие только дефектную структуру.

Исследования гидромеханической обработки воды (как достаточно сильного воздействия) показали, что последующая активность воды проявляется как в макромасштабе, так и на микроуровнях (на молекулярном и субмолекулярном).

Суть гидродинамического воздействия может быть сведена к действию двух механизмов: распространению ударных волн вблизи охлопывающегося кавитационного микропузырька и ударному действию кумулятивных микроструек при несимметричном коллапсе кавитационных микропузырьков. Причем в данном контексте способ получения кавитационных микропузырьков не имеет значения. Этим основным механизмам сопутствует повышение температуры и давления вблизи пузырька, делая локальную область около него уникальным реактором для проведения различных реакций и процессов.

Рассмотрим на базе краевой задачи сопряжения для парогазового пузырька в жидкости, частный случай для сферического пузырька в неподвижной жидкости. В силу сферической симметрии

тогда

При условии р = const и полагая жидкость несжимаемой, имеем

При интегрировании уравнения (5.3) получаем фундаментальные уравнения:

Из уравнения баланса масс на границе пузырька получаем условие сопряжения по нормальной составляющей скорости:

Для сферически симметричного пузырька (в сферической системе координат)

Из условия (5.5) с учетом (5.6) имеем где

Отсюда константа в (5.4) примет вид

(источник обильностью I ).

После подстановки (5.8) в уравнение движения, записанное в тензорно-инвариантной форме, для ньютоновских сплошных сред при последующем интегрировании по г от R до со получим динамическое уравнение для расширения границы пузырька:

Связь давления в жидкости р д на границе раздела фаз (г = R)

с давлением в пузырьке устанавливается из условия сопряжения по импульсу, которое при пренебрежении движением парогаза в пузырьке . р„«ри

(в силу s 1) дает выражение

|

где Pr = Р“ + Pv - сумма парциальных давлений соответственно газовой и паровой фракций.

Из (5.5) следует, что

т. е. последним членом в (5.10) можно пренебречь.

В случае малости или отсутствия фазовых переходов (jg = 0) и при Т° « const из (5.9) имеем форму нелинейного уравнения Рэлея:

Для простого случая = 0,5Р = P1(r=R - Р1оо = const с начальными условиями

Рэлеем получены следующие решения: для расширения:

для сжатия:

Время коллапса определяют по формуле

Начальное давление газа в пузырьке радиуса R0 находится по уравнению Лапласа:

Результаты, полученные различными авторами, указывают на то, что при симметричном схлопывании пузырька создаются высокоинтенсивные поля давлений (до 5-10 тыс. атм.) и температур (до 2000 °С).

В случае несимметричного коллапса пузырька, в частности вблизи стенки, картина схлопывания существенно меняется - схлопы- вание происходит с образованием высокоскоростной кумулятивной микроструйки, механизм образования которой достаточно хорошо известей. Здесь же нас интересует случай асимметричного коллапса пузырька вдали от стенки.

Как показано выше, микроструйки могут образовываться и вдали от стенки и соударяться одна с другой. Следует отметить, что в момент схлопывания системы пузырьков у стенки возможно образование струек между соседними пузырьками.

На рис. 5.1, б представлены результаты численного эксперимента для схлопывания пузырька у стенки. Вещественные показатели к схеме на рис. 5.1, б приведены в табл. 5.1. На рис. 5.1, а показана пространственная интерпретация численного эксперимента, проведенного Плессетом и Чепменом. Скорость кумулятивных струек, по их расчетам, для Ро — Pv= 1,0 атм. составила Vc = 130 м/с (ЪР * 2000 атм). В результате дополнительных расчетов было показано, что параметры образующейся струйки сильно зависят от плавности начальной деформации пузырька. Так, при деформации в 10 % характерная толщина образующейся струйки в пять раз меньше, а ее скорость вдвое больше (Vc = 130 м/с; SP * 2000 атм.), и при дальнейшем увеличении начальной деформации скорость Vc возрастает на порядок, чрезвычайно усиливая разрушающую способность струйки. Продолжительность конечной

стадии коллапса пузырька t ~ 10 —10 с.

Данные численного эксперимента Плессета и Чепмена

Таблица 5.1

Обозначения на схеме (рис. 5.1, б)

А

В

С

D

Е

t/t3

0,630

0,885

0,986

1,013

1,033

VC, м/с

7,7

19

42

65

100

Обозначения на схеме (рис. 5.1, б)

F

G

Н

I

J

t/t3

1,048

1,066

1,082

1,098

1,119

VC, м/с

123

129

129

128

128

Примечание: tK -1,1R0 = ^/р/АР; Vc = 12,8^/ДР/р •

Молекула Н2О является самым легким и малым представителем химических и изоэлектронных гомологов. Ее свойства определяются максимально неоднородным распределением средней плотности электронов по молекуле, в результате чего на атомах молекулы Н2О сосредоточены наибольшие эффективные заряды.

Уникальные свойства, парадоксы жидкой воды в большей степени объясняются наличием и развитостью водородных связей. В системе молекул Н2О водородная связь носит кооперативный характер, во многом определяя структуру воды при различных внешних условиях. Водородные связи примерно в 10 раз сильнее межмолекулярных взаимодействий, характерных для большинства других жидкостей.

Картина схлопывания парового пузырька в воде вблизи твердой стенки

Рис. 5.1. Картина схлопывания парового пузырька в воде вблизи твердой стенки: а - пространственная эпюра скоростей (графическое представление образовавшейся кумулятивной струйки - интерпретация авторов); б - результаты численного эксперимента (расстояние от центра пузырька до стенки равно начальному радиусу пузырька R0)

В общем случае можно сказать, что взаимодействия большого количества молекул, ансамблей молекул, организация той или иной структуры, определяющей свойства воды и соответственно ее реакционную способность, обуславливаются коллективными силами Ван-дер- Ваальса. Приближенно закон соответственных состояний может быть выражен уравнением Ван-дер-Ваальса в виде

Силы Ван-дер-Ваальса известны как дисперсионные, дальнодей- ствующие. Они захватывают области >1000 А и определяют устойчивость той или иной структуры, физическую сорбцию и др.

Время релаксации для ряда процессов в воде при Т= 20 °С t = КГ11- 10 13 с, а для некоторых - до t = l(T14 с. В связи с тем, что

9 л—8

продолжительность конечной стадии коллапса пузырька t = 10 -10 с, становятся возможными процессы передачи энергии и перезарядки с участием молекул воды, благородных и активных газов, а также диссоциация молекул воды.

Таким образом, под действием гидродинамической кавитации, как сильного воздействия, происходит разложение (механолиз) воды. Возбужденная молекула воды, наряду с излучением и диссипацией избыточной энергии в тепло, может диссоциировать:

|

За счет механолиза воды на Н • и ОН в результате кавитационного воздействия происходит увеличение концентрации От при протекании в процессе механохимических реакций типа

Одновременно происходит и изменение структуры воды с образованием свободных водородных связей, что обуславливает ее повышенную активность и реагентную способность.

В случае водных систем активация, кроме механолиза воды, заключается в изменении степени равномерности распределения примесей по объему системы, агрегации и дезагрегации (диспергации) примесей, а также в изменении их активного состояния. Важнейшей особенностью водных систем, в частности, является гетерогенность по примесям, которая в процессе кавитационного воздействия может существенно меняться. Под воздействием кавитации в водном растворе, содержащем инертные и активные газы, возможно существование разнообразных химических реакций.

Кавитационная обработка (в отличие, например, от омагничивания, воздействия различных полей электромагнитного происхождения и т.п.) дает устойчивые повторяющиеся результаты в получении модифицированной в процессе механолиза воды, воспроизводимые независимо от места и времени.

Наряду с указанными, в кавитационной полости протекают реакции трансформирования радикалов с участием химически активных

газов и рекомбинации радикалов за время t = 10 7 -10 6 с. В результате этих процессов после коллапса кавитационного пузырька в раствор переходят продукты радикального разложения молекул Н2О, обнаруженные с помощью метода спиновых ловушек, и рекомбинации радикалов, что приводит к накоплению в воде молекулярного О2, Н2О2 и других соединений. Высокая скорость протекания реакций свидетельствует о том, что они происходят непосредственно в зоне схлопывания пузырька.

В итоге, наряду с микротурбулентным перемешиванием и активацией поверхности водных полуфабрикатов, процесс механолиза воды при ее гидромеханической обработке позволяет создавать и использовать кавитационную технологию для интенсификации различных технологических процессов и служит основой для разработки новых приложений.

 
Посмотреть оригинал
< Предыдущая   СОДЕРЖАНИЕ   Следующая >
 

Популярные страницы