РАСЧЕТ ЗАВИСИМОСТИ ЗВУКОКАПИЛЛЯРНОГО ЭФФЕКТА ОТ ЧАСТОТЫ УЛЬТРАЗВУКА НА ОСНОВЕ КРИТЕРИЯ ПОРОГОВОЙ КАВИТАЦИИ

Н.В. Михайлова Mikhailova; И.В. Смирнов Smirnov; А. Шарипова Sharipova; В. Слесаренко Slesarenko

doi:10.32326/1814-9146-2020-82-1-64-74

Н.В. Михайлова Mikhailova Санкт-Петербургский государственный университет, Санкт-Петербург, Российская Федерация
И.В. Смирнов Smirnov Санкт-Петербургский государственный университет, Санкт-Петербург, Российская Федерация
А. Шарипова Sharipova Израильский технологический институт, Хайфа, Израиль
В. Слесаренко Slesarenko Израильский технологический институт, Хайфа, Израиль

DOI: https://doi.org/10.32326/1814-9146-2020-82-1-64-74

Ключевые слова: звукокапиллярный эффект, ультразвуковые колебания, кавитация, пороговое давление, критерий инкубационного времени

Аннотация

Рассматривается возможность расчета параметров ультразвукового капиллярного эффекта в зависимости от частоты акустических колебаний в жидкости, в которую помещен капилляр. Согласно экспериментальным данным, интенсификация движения жидкости в капилляре преимущественно связана с образованием и схлопыванием кавитационных полостей у среза капилляра. Поэтому предполагается, что рассматриваемый эффект происходит в результате кавитационных процессов у входа в канал капилляра, при этом кавитационные процессы зависят от частоты ультразвуковых колебаний. Пороговое давление при кавитации, приводящей к подъему жидкости, для заданной частоты ультразвука определяется по критерию инкубационного времени кавитации. Область и количество пузырьков кавитации при рассматриваемом пороговом давлении зависит от частоты ультразвука. Для оценки количества пузырьков в области кавитации используется решение задачи об упаковке равных кругов в больший круг с учетом дистанции влияния пузырьков друг на друга. Высота подъема жидкости рассчитывается исходя из предположения, что за один цикл колебания кавитирующей области звукокапиллярное давление совершит работу по подъему столбика жидкости на определенную высоту за счет энергии схлопнувшихся пузырьков. Используемый подход дает возможность определить пороговую амплитуду акустических колебаний и оценить соответствующее поведение звукокапиллярного давления в диапазоне частот колебаний 7-62 кГц. Указанный диапазон определяется частотными требованиями для соотношения размера области кавитационного процесса и диаметра капилляра.

Таким образом, построенная модель ультразвукового капиллярного эффекта учитывает диаметр капилляра и позволяет определить диапазон частот, в котором этот эффект реализуется. Результаты моделирования показали хорошее соответствие с известными экспериментальными данными в воде. Из результатов расчетов по разработанной модели следует, что наибольшее звукокапиллярное давление достигается в диапазоне 10-20 кГц.