ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА И АППАРАТА ДЛЯ ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ СЫРЬЯ НА ОСНОВЕ КАВИТАЦИОННОГО ЭФФЕКТА

Математическое моделирование влияния кавитации на процесс измельчения

Физические механизмы влияния кавитации на процесс измельчения

Природа явлений в жидкости, вызывающих разрушение поверхности различных материалов при кавитации, до настоящего времени остается неясной. Известно лишь, что разрушение твердых поверхностей при кавитации происходит вследствие развивающихся в жидкости вблизи поверхности высоких напряжений. В связи с отмеченными обстоятельствами до сих пор нет научно обоснованных рекомендаций по назначению режимов измельчения в соответствующих аппаратах сред со сложным реологическим поведением таких, например, как комбинированные рыбопродукты.

Кавитация может возникнуть как при обтекании различного рода твердых тел капельной жидкостью с высокими скоростями ее движения, так и в неподвижной жидкости вблизи поверхности колеблющегося в ней твердого тела, когда около твердой поверхности появляются и некоторое время существуют парогазовые пузыри.

Существует несколько гипотез, объясняющих образование в жидкости высоких напряжений.

Первая гипотеза заключается в том, что когда гидродинамические силы вблизи образовавшегося кавитационного пузыря становятся намного больше капиллярных сил, пузырь замыкается и при этом возникает ударная волна давления значительной величины.

Выдвигается также и другая гипотеза, состоящая в том, что высокие разрушающие давления в жидкостях появляются при возникновении кумулятивных струй как результат взаимодействия граничащих между собой жидкости и парогазовой смеси кавитационного пузыря.

Выдвигается также релаксационная гипотеза кавитационного разрушения, сущность которой заключается в том, что продолжительность возмущений от действия разрушающих сил настолько мала, что приближается ко времени релаксации сил объемной вязкости жидкости. При этом жидкость начинает обладать свойствами твердого тела. Разрушение поверхности твердого тела возникает в период образования парогазового пузырька, когда жидкость, прилегающая к твердой поверхности и обладающая указанными свойствами, способна оказывать разрушающее действие на твердую поверхность.

Однако прямого экспериментального подтверждения указанные гипотезы до настоящего времени не имеют.

Предлагается также отличное от описанных объяснение развития явлений в жидкости при кавитации, обусловливающих возникновение в ней высоких напряжений, под воздействием которых могут появиться необратимые деформации и даже разрушение твердых поверхностей.

Из имеющихся данных наблюдений за развитием кавитации известно, что необратимые деформации твердых поверхностей появляются с первых же моментов действия кавитации. Это указывает на то, что механическое воздействие является первичным и определяющим в этом процессе. Разного рода усталостные явления, электрохимические процессы и другие являются вторичными и сопутствующими факторами, проявляющимися в процессе развития разрушения поверхностей.

Рассмотрим развитие явлений в жидкости, вызывающих появление разрушений твердых поверхностей при гидродинамической кавитации и при кавитации в неподвижной жидкости.

Сущность предлагаемого объяснения таких явлений, обусловливающих возникновение разрушения твердых поверхностей, заключается в следующем.

В зависимости от скорости движения потока при гидродинамической кавитации и в зависимости от интенсивности колебаний в неподвижной жидкости твердого тела, в ней происходит образование разрывов. Энергетический потенциал, требуемый для разрыва жидкости, определяется мощностью потока жидкости при гидродинамической форме кавитации и мощностью колебательного движения твердого тела при кавитации в неподвижной жидкости. При развитой кавитации парогазовые пузыри, возникающие вдали от твердой поверхности, достигают равновесного состояния, когда силы внутреннего давления и поверхностного натяжения уравновешиваются давлением со стороны окружающей жидкой среды. При этом, такие пузыри, приобретая сферическую форму, могут смещаться в нормальном направлении от твердой поверхности внутрь объема жидкости.

Разрывы в жидкости, появляющиеся в непосредственной близости от твердой поверхности, испытывают особое влияние этой поверхности. Прежде всего, около стенки жидкость никогда не рвется по межфазной границе между твердым телом и жидкостью. Границей образования разрывов около стенки является особый слой жидкости, прилегающий к твердой поверхности и обладающий рядом аномальных физических свойств, наиболее важным из которых для данного рассмотрения является повышенная вязкость жидкости в этом слое. Проявление такой аномалии обусловливается влиянием молекулярных сил, которые исходят из твердой поверхности и действуют в глубь жидкости на некоторое малое расстояние.

Толщина слоя жидкости, на которую распространяется действие указанных молекулярных сил, измеряется десятыми долями микрона. Однако именно этот слой играет основную роль в процессе разрушения твердой поверхности при кавитации.

Рассмотрим более подробно взаимодействие образующегося от кавитации парогазового пузыря и аномального слоя.

Вследствие повышенной вязкости аномального слоя в нем резко возрастает сдвиговая упругость и, как можно показать, развиваются высокие нормальные напряжения. При развитой форме кавитации, когда парогазовые пузыри начинают образовываться около аномального слоя, жидкость слоя под воздействием возникающего при этом перепада давления устремляется в пузырь. При этом возникает отрывное усилие на площади приблизительно равной площади проекции пузыря на стенку.

Важным в образовании разрывов в жидкости около аномального слоя является и то, что не находящийся в равновесном состоянии чечевицеобразный разрыв не способен смещаться в нормальном направлении от стенки внутрь жидкости. Последнее обстоятельство обеспечивает необходимый контакт при взаимодействии жидкости аномального слоя под пузырем с самим пузырем.

Можно провести количественную опенку возникающих напряжений в тонком слое жидкости, разделяющем пузырь и стенку.

Величина больших нормальных напряжений в указанной тонком слое движущейся жидкости около твердой поверхности обуславливается появлением в нем значительной сдвиговой упругости в результате проявления аномальных свойств жидкости в движущемся слое, выражающихся прежде всего в резком увеличении вязкости жидкости. При обеих рассматриваемых здесь формах кавитации сдвиговые деформации в жидкости появляются при наличии течения жидкости вдоль твердой поверхности. Если при гидродинамической кавитации существование такого течения очевидно и оно определяется движением жидкости, то при кавитации в неподвижной жидкости появление течения жидкости вдоль твердой поверхности обусловливается колебаниями твердого тела в жидкости, когда вследствие малой сжимаемости жидкости происходят знакопеременные ее движения вдоль твердой поверхности в течение полупериода колебания тела.

Можно рассмотреть связь между нормальными и касательными напряжениями, используя для этого уравнения движения вязкой жидкости в напряжениях. Для простейшего случая эти уравнения движения записываются в следующем виде:

(2.1)

dx dy

где р, т- нормальное и касательное напряжения в жидкости;

х,у- продольная и поперечная координаты осей, направленных вдоль межфазной границы и перпендикулярно к ней внутрь жидкости.

Принимая, что левая и правая части этого уравнения являются функциями независимых друг от друга переменных х и у, можно утверждать тогда, что левая, и правая части уравнения (2.1) являются постоянными величинами, т.е.: dp dr — = — = const. dx dy

Таким образом, линейному изменению нормального давления вдоль координаты х соответствует линейное изменение касательного напряжения вдоль координаты у. Исходя из изложенного, дифференциальное уравнение (2.1) можно записать в конечных величинах.

В дальнейшем под конечной величиной нормального давления удобнее подразумевать абсолютное давление в слое жидкости, отстоящем на некотором расстоянии у от стенки, и действующее на единице длины вдоль этого слоя.

Тогда полученное выражение можно переписать в следующем виде:

РУД=Т~- (2-2)

у

По выражению (2.2), удельные нормальные напряжения вдоль слоя жидкости, расположенного от стенки на расстоянии у,находятся в прямой зависимости от касательных напряжений, развивающихся в этом слое жидкости и обратной зависимости от расстояния слоя от стенки у.

Из выражения (2.2) вытекает, что нормальные напряжения в жидкости растут с уменьшением расстояния от стенки. Действительно, при стремлении у ~у О величина нормальных напряжений неограниченно растёт. Представляет интерес установить, при каких значениях у величина нормальных напряжений в жидкости достигает величины молекулярного давления данной жидкости. Для выяснения этого вопроса можно обратиться к результатам известных исследований, выполненных в отделе поверхностных явлений Института физической химии РАН.

В этих исследованиях показано, что в весьма тонких граничных слоях некоторых жидкостей при движении около твердой поверхности их физические свойства отличаются от таковых, характерных для всего объема жидкости.

Например, было показано, что в тонких (у=1 • 10 5 см = 1000А) граничных слоях некоторых полярных жидкостей, таких как вода, ацетон, бензол и некоторые другие, резко возрастает вязкость жидкости, а сдвиговая упругость достигает значений т= 0,01—0,02 кг/см2. Если теперь, воспользовавшись выражением (2.2), провести приближенную оценку возникающих на верхней границе такого слоя, нормальных напряжений то, например, для воды при т = 0,01 кг/см2 имеем

„ 0.01

КГ сМ-

Ру„ =----?=1000

уд. ь10-5

Таким образом, уменьшение толщины слоя на один порядок против указанной увеличивает величину нормальных напряжений до значений молекулярного давления воды, т. е. до 10000 ат.

Касаясь вопроса разрушения твердой поверхности при кавитации, представляется вероятным рассмотреть две гипотезы разрушения материалов на основе описанного объяснения возникновения высоких напряжений в жидкости. Эти гипотезы принципиально отличаются друг от друга характером взаимодействия слоя жидкости под пузырем с самим пузырем, образующимся около стенки.

Первая гипотеза состоит в том, что жидкость этого слоя, устремляясь в парогазовый пузырь, создает отрывное усилие, действующее на твердую поверхность. Возможность разрушения при этом твердой поверхности, контактирующей с жидкостью какого-либо материала, обусловливается характером адгезионных и когезионных связей, а также структурой самого материала. Если адгезионные связи на межфазной границе слабее когезионных связей данного материала, то его разрушение не наступает. Если, наоборот, когезионные связи слабее адгезионных, то создаются благоприятные условия для развития процесса разрушения поверхности материала.

Необходимо заметить, что исследованиями последнего времени показано, что поверхностный слой твердых материалов, обрабатываемых различными механическими приемами, находится под действием растягивающих напряжений, около 3-5 КГ/мм2.

Это обстоятельство указывает на то, что разрушение поверхности твердых материалов от растягивающих усилий может происходить при гораздо меньших напряжениях, требуемых для разрушения этих же поверхностей при сжимающих усилиях. При этом продольный разрыв материала может происходить по линии нулевых напряжений вблизи твердой поверхности внутри материала.

Поэтому не исключается, что здесь потребуется преодоление лишь касательных напряжении, возникающих при разрыве боковых связей вокруг некоторого зародыша разрушения, например поры. Тогда отрывающее усилие должно быть еще меньшим.

Вторая гипотеза разрушения твердой поверхности состоит в том, что процесс образования отдельных очагов разрушения является следствием динамического процесса типа взрыва, происходящего в результате прорыва жидкости под пузырем под действием высокого перепада давления и ее фазового перехода в пар внутри пузыря. В этом случае характер воздействия на твердую поверхность может объясняться распространением как прямых, так и отраженных ударных волн от поверхности жидкости, ограждающей пузырь со стороны внешнего объема, когда эта жидкость в течение времени релаксации может рассматриваться как квазитвердое тело.

Обе эти гипотезы приводят к образованию дефектов в непосредственной близости от поверхности продукта контактирующей с жидкостью. Эти дефекты могут развиваться и приводить к отделению отдельных частиц от блока материала.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >