Экспериментальным и расчетным путем подтверждено появление вторичных течений при колебаниях цилиндрической формы. Показано, что скорость вторичного потока прямо пропорциональна произведению амплитуды и частоты колебаний плоской поверхности
колебания, вторичные течения
Анализ литературных данных показал, что интенсификации данных процессов в жидкостях можно достичь за счет воздействия на среду колебаний различной частоты. При этом перспективным способом с точки зрения прикладного применения является введение в жидкую среду колебаний невысоких частот, порядка 50 Гц [1].
Ускорение процессов массообмена при воздействии на среду колебаний низкой частоты можно объяснить тем, что в колеблющейся среде возникают вторичные течения. В этой связи нами была поставлена цель изучить появление подобных течений при колебаниях в жидкости насадок цилиндрической формы.
Исследования проводились на экспериментальной установке, схема которой представлена на рис. 1.
Колебания заданной частоты и форма сигнала генерировались специальной программой, установленной на компьютере 1. Выходная форма электрического сигнала контролировалась при помощи осциллографа 2. После усилителя 3 сигнал подавался на излучатель 7, представляющий собой низкочастотный динамик. К колеблющейся мембране динамика 7 был жестко прикреплен шток 8. На конце штока устанавливалась съемная насадка 9, позволяющая вводить колебания в жидкую среду, находящуюся в кювете 5. Для изучения возникающих конвективных потоков установка имела фотокамеру 4 и световой нож 6. Световой нож 6 представлял собой лампу накаливания электрической мощностью 1000 Вт с двумя параллельно стоящими друг к другу керамическими пластинами, формирующими между собой щель толщиной 5 мм.
Рисунок 1 – Схема экспериментальной установки
В кювету 5 заливалась вода. Для визуализации возникающих конвективных потоков в жидкость добавляли порошок из органического стекла (ПММА), который диспергировался перемешиванием. На компьютере 1 генерировались синусоидальные колебания с частотой 40 Гц и включался световой нож 6.
В ходе эксперимента были изучены конвективные потоки, вызванные колебанием в воде цилиндрической насадки диаметром 30 мм. При колебаниях цилиндра в среде возникал конвективный поток, направленный параллельно колебательным движениям насадки, т.е. в радиальном направлении от цилиндра, а в перпендикулярной к колебаниям плоскости наблюдался поток, двигающийся к цилиндру. Возникающие потоки вызывали тангенциальные к поверхности цилиндра течения жидкости, омывающие его. Однако следует отметить, что скорость возникающих течений была невысокой.
Полученные результаты позволили оценить только лишь качественную картину. Для получения количественных соотношений требуются дополнительные исследования с использованием измерительных устройств, регистрирующих частоты и амплитуду колебаний насадок, а также скорости потоков.
Математически удалось оценить величину возникающего вторичного течения. Расчетная скорость этого потока была получена путем решения упрощенного уравнения Навье–Стокса для нормальной составляющей скорости к поверхности методом конечных разностей в математическом пакете MatLab. Расчет показал, что скорость вторичного потока прямо пропорциональна произведению амплитуды и частоты колебаний плоской поверхности.
1. Розенберг, Л.Д. Физические основы ультразвуковой технологии. - Мо-сква: Наука, 1967. - 380 с.