ЗВУКОКАПИЛЛЯРНЫЙ ЭФФЕКТ И ДИНАМИКА УЛЬТРАЗВУКОВОГО КАВИТАЦИОННОГО КЛАСТЕРА У ТОРЦА КАПИЛЛЯРА Н.В. Малых1, Г.Н.Санкин2, Н.К. Рубан1, В.С. Тесленко2, Л.И.Мальцев1 1 Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН 2 Институт гидродинамики им. М. А. Лаврентьев СО РАН 630090 Новосибирск, Россия Работа посвящена изучению звукокапиллярного эффекта и динамики пузырькового кластера у искривленной твердой стенки (торца капилляра) в различных жидкостях в режиме ультразвуковой (УЗ) кавитации. Капилляры и пьезотрубка поочередно помещались в пучность стоячей УЗ-волны, в центр пьезоэлектрической сферы с резонансной частотой 25–30 кГц, заполняемой различными жидкостями. Сфера с отверстиями – окнами устанавливалась в стеклянный сосуд, заполненный той же жидкостью. Записывалась интегральная разность давлений положительной и отрицательной фазы за 30–60 периодов уз волны, названная нами звукокапиллярным давлением. С помощью ФЭУ-35 регистрировалось свечение кавитационной области-кластера. Проведенная цифровой камерой кино- и фотосъемка показала, что на торце капилляра образуется пульсирующий с частотой УЗ-поля пузырьковый кластер переменной формы. Наиболее устойчивый, локализованный полусферический пузырьковый кластер образуется в 50процентном водном растворе глицерина (рис. 1). В этом случае регистрируется максимальное звукокапиллярное давление и образуется стационарный поток жидкости в капилляре. Меньший подъем жидкости в капилляре происходит в воде и в этиловом спирте. В спирте образуется много газовых пузырей, поток становится двухфазным. В случае помещения в центр сферы проволочки (электрохимического датчика), так же, 1 2 3 Рис. 1. Форма кавитационных кластеров в различных жидкостях при одинаковых параметрах ультразвукового поля f = 28 кГц, V = 90 В. 1 – спирт; 2, 3 – глицерин 50%; 4 – вода. 109 4 1 2 Рис. 2. Кавитационный кластер. Раствор 0,5% NaCl. 1 – без датчика, 2 – с электрохимическим датчиком, d = 0,6 мм. как и без капилляра, образуются случайные рассредоточенные пузырьковые стримеры, направленные в центр сферического концентратора (рис. 2). Известно, что схлопывание кластеров начинается одновременно с внешней границы кластера при давлении, равном окружающему. Давление распространяется к центру со скоростью звука в пузырьковой среде. Ударные волны, излучаемые при одновременном схлопывании отдельных пузырьков, образуют сходящуюся к центру ударную волну. Согласно модели и расчетам Мерча (1978), одновременное схлопывание концентрических полусферических слоев каверн приводит к повышению энергии центральных каверн и увеличению давления от их схлопывания на порядок по сравнению со схлопыванием одиночной каверны на стенке. Величину кумулятивных, кооперативных эффектов определяет конфигурация, (форма) кластера. Это, по-видимому, и обуславливает наблюдаемые нами наибольшие сонолюминисценцию и звукокапиллярный эффект в 50-процентном растворе глицерина, где формируются сферические кластеры. Явление звукокапиллярного эффекта лежит в основе интенсификации многих важных технологических и химических процессов, связанных с очисткой, пропиткой, диспергированием и металлизацией материалов. Работа выполнена при финансовой поддержке интеграционного проекта СО РАН №123, РФФИ (гранты №03-02-17682, 03-02-06212-мас) и гранта Германской службы академических обменов (DAAD). 110