1. Параметры давления и скорости, полученные в результате расчета

	Vcт.	р, МПа	Упот. м/с
R	м/с
0,1	7,5	2,7	15
0,2	10	5,16	20
0,4	15	12,6	30
0,5	17,5	17,4	35

КАВИТАЦИОННОЙ ВОЗДЕЙСТВИЕ НА ТВЕРДУЮ ПОВЕРХНОСТЬ

Технологические процессы ультразвуковой очистки основаны на использовании кавитационно-эрозионных механизмов воздействия на поверхностные пленки и загрязнения. Для правильной организации тех­нологических процессов необходимо знать зависимость между акус­тическими режимами, интенсивностью и топографией эрозионных эф­фектов в технологическом объеме.

Изучение динамики одиночной кавитационной полости не дает воз­можности расчетным путем определить воздействие всей совокупнос-

13

ти кавитационных пузырьков на твердую поверхность. В связи с этим оценка интенсивности кавитационной воздействия осуществляется экспериментальным путем. Наибольшее распространение получили мето­ды, использующие эрозионные тесты и связывающие потерю массы образ­ца, помещенного в кавитирующую жидкость, с интенсивностью акусти­ческой кавитации [2, 4]. Результаты исследования изменения суммарной эрозии, определяемой в заданном осевом сечении кавитационной облас­ти, от величины амплитуды при переменном расстоянии ΔGΣ (ξ, h) показаны на рис. 8.

При увеличении амплитуды колебаний во всех случаях наблюдается изменение интенсивности эрозионных эффектов. При расположении об­разца на наиболее близком расстоянии от источника колебаний (h = = 0,5 мм) увеличение интенсивности эрозионного воздействия наблю­дается во всем интервале исследуемых амплитуд колебательных сме­щений, вплоть до ξ =60 мкм. Однако по мере удаления испытуемого образца от источника колебаний наблюдается появление максимума зависимости ΔGΣ (ξ). Последнее обстоятельство связано с образовани­ем в кавитационной области с ростом амплитуды колебаний зоны с высоким уровнем поглощения звука. Эта зона непосредственно при­мыкает к излучающей поверхности источника колебаний и представ­ляет собой область, практически полностью заполненную кавитацион­ными пузырьками.

Представляет интерес оценка величины вклада эрозии в зоне, при­легающей к источнику звука, в суммарный эффект эрозии, наблюдаемый в осевом сечении во всей кавитационной области ΔGΣ (ξ). На рис. 9 в относительных единицах показаны экспериментально полученные зави­симости потери массы образца от величины амплитуды колебаний ΔG (ξ) на частоте f = 22 кГц. Зависимость 1 характеризует относитель­ное изменение величины суммарной эрозии в воде от амплитуды ΔGΣ (ξ)> зависимость 2 определяет эрозионное воздействие только в ближней зоне, т.е. в плоскости, лежащей на расстоянии 0,5 мм от источ­ника колебаний G0.5 и наконец, зависимость 3 дает представление об изменении вклада ближней зоны в суммарную эрозию ΔG_O,5/ΔG_Σ с ростом величины амплитуды колебательных смещений.

Увеличение амплитуды колебательных смещений приводит к увели­чению как суммарной эрозии, так и эрозии в ближней зоне. По мере увеличения амплитуды колебаний вклад ближней к источнику коле­баний зоны в суммарную эрозию непрерывно увеличивается и при ξ = 50 / 60 мкм достигает 80—85% от величины суммарной эрозии.

Изменение эрозионных возможностей кавитирующей жидкости с увеличением расстояния от источника колебаний представляет особый интерес. На рис. 10 показаны результаты исследования уровня эрозион­ного воздействия кавитации при различных амплитуде и расстоянии от источника колебаний ΔG (ξ, h). Эрозионное воздействие оценивали в плоскостях, перпендикулярных оси излучателя и лежащих от него на разном расстоянии. Результаты показывают, что рост амплитуды приводит к изменению топографии эрозионного воздействия, что фактически является отображением изменения некоторых физических процессов,

15

протекающих в кавитационной области. С ростом величины амплитуды колебательных смещений наблюдается более резкое уменьшение эрозионных эффектов при увеличении расстояния от источника колеба­ний. На некотором расстоянии от источника колебаний эрозионное раз­рушение поверхности практически прекращается. Экстраполируя предс­тавленные на рис. 10 зависимости, можно определить границу зоны, за которой практически прекращается эрозионное воздействие кавитации на поверхность твердого тела, т.е. границу, за которой образуется без­эрозионная зона кавитационной области. Расстояние от источника коле­баний h₀ до границы безэрозионной зоны обратно пропорционально ве­личине амплитуды колебательного смещения h₀ = kξ ^-1. Для воды и водных технологических сред к = 0,5.

Наблюдаемое изменение топографии эрозионных эффектов в обра­зовании безэрозионной области связано с высоким уровнем поглощения звука в акустически мягкой области, активно формирующейся непосред­ственно у поверхности источника колебаний. Уменьшению эрозионного воздействия, кроме того, способствует интенсивный рост кавитацион­ных пузырьков, который наблюдается при увеличении амплитуды ко­лебаний. С перерождением кавитационных пузырьков в пульсирующие прекращается их эрозионное воздействие на поверхность твердого тела. Необходимо отметить, что, изменяя величину амплитуды колебатель­ных смещений, можно не только резко повысить эрозионное воздейст­вие жидкости на технологический объект в ближней зоне, но одновре­менно эта же зона может быть использована как некий искусственный "барьер" для акустического давления. Такой "барьер" из акустически мягкой области позволяет создать безэрозионную технологическую зону, в которой получение технологического эффекта связано с воздейст­вием только пульсирующих пузырьков.

Кривые изменения давления звуковой волны при увеличении ампли­туды колебательных смещений и на различных расстояниях от источника звука р = f (ξ, h) приведены на рис .11. Измерения проводили в воде с ис­пользованием миниатюрного гидрофона. Результаты показывают, что пер- воначально рост амплитуды колебательных смещений сопровождается ростом амплитуды звукового давления, причем положение максимума давления приходится на значение амплитуды ξ ≈8 / 10 мкм и не зависит от расстояния до источника колебаний. Дальнейшее увеличение амплиту­ды колебательных смещений приводит к резкому спаду давления звука. При амплитуде колебательных смещений 10—20 мкм наблюдаемое паде­ние давления обратно пропорционально амплитуде колебаний. В дальней­шем эта зависимость выражена менее резко. Наибольшее давление наблю­дается в зоне, непосредственно прилегающей к излучащей поверхности источника колебаний, и достигает примерно 0,35—0,4 МПа. Видимо, получение более высоких значений звуковых давлений в воде только за счет роста амплитуды колебаний невозможно. Наблюдаемое резкое паде­ние давления связано со значительным поглощением акустической энер­гии в зоне, прилегающей к источнику колебаний, которая становится демпфером и экранирует остальной объем жидкости.

Представляет интерес экспериментально наблюдаемая закономер-

16

ность — падение давления одновременно сопровождается резким увеличе­нием кавитационной эрозии в ближней зоне. Например, при изменении амплитуды колебательных смещений от 8 до 50 мкм акустическое давле­ние уменьшается от 0,4 до 0,15 МПа, т.е. больше, чем в 2 раза, однако одновременно происходит увеличение потери массы у образца за счет эрозии больше, чем в 15 раз. Если сравнить величину кавитационной эрозии при различных амплитудах, но одинаковых акустических давле­ниях, то обнаруживается, что при давлении р ≈0,2 МПа, а оно соответ­ствует амплитуде колебаний ξ1 = 3 мкм и ξ2= 18 мкм, кавитационная эрозия различается примерно в 50 раз. Амплитуда колебательных смеще­ний существенно влияет на количество зарождающихся кавитационных пузырьков. Увеличение количества кавитационных пузырьков, в свою очередь , приводит к увеличению эрозионного разрушения поверхности. В первом приближении можно считать, что количество кавитационных пузырьков будет изменяться пропорционально изменению ΔV общего объема, занимаемого пузырьками в кавитационной области. Объем кави­тационной области может быть измерен по известной методике [30], основанной на излучении звука в замкнутый объем с выведенным капил­ляром. Разрыхленная кавитационными пузырьками жидкость вытеснит в капилляр некоторый объем жидкости, равный суммарному объему появившихся пузырьков.

Относительное изменение суммарного объема, занимаемого кавита­ционными пузырьками, с ростом амплитуды колебаний Vi / V_o = f (ξ) показано на рис. 12.

Измерения показывают, что объем кавитационной области увеличива­ется пропорционально кубу амплитуды: ΔV ~ξ ³. Увеличением количест­во кавитационных пузырьков с ростом амплитуды и объясняется, с одной стороны, усиление эрозионного воздействия, а с другой, увеличение поглощения, с которым, в свою очередь, связано падение акустического давления.

Эрозионные эффекты кавитирующей жидкости являются определяю­щими для многих ультразвуковых жидкостных технологических процес­сов. В процессах очистки кавитационное воздействие и разрушение испы­тывают не только удаляемые поверхностные пленки и загрязнения, но при длительном воздействии могут разрушаться поверхностные слои очищае­мого металла.

Разрушение поверхности твердого тела кавитирующей жидкостью вызывается импульсами высоких давлений или воздействием кумулятив­ных струек, возникающих при захлопывании кавитационных полостей. Независимо от того, вызвано ли давление ударной волной или микроструй­кой, на поверхности металла возникают как нормальные, так и сдвиговые напряжения, наблюдаются пластическое деформирование и течение метал­ла. Характерное разрушение поверхности металла показано на рис. 13. Образовавшиеся лунки имеют следы пластического течения металла.

Сопротивляемость поверхности твердого тела кавитационному воз­действию определяется в основном свойствами материала и связана с акустическими режимами и параметрами жидкости. Эту сопротивляе­мость материала определяют экспериментально путем построения кине-

17

тических кривых, связывающих потерю массы испытуемым материалом с продолжительностью кавитационного воздействия [4]. На рис. 14 показана зависимость ΔG (т). Характерным для большинства материалов, разру­шающихся под; воздействием кавитации, является наличие некоторого инкубационного периода τ₀. В этот период энергия кавитационного воз­действия тратится на пластическую деформацию, структурные превраще­ния и другие изменения в поверхностном слое. Потери массы в этот период Практически не происходит. Этот скрытый или инкубацион­ный период характеризует сопротивляемость материала кавитационному разрушению. За инкубационным подготовительным периодом наблюдаются характерные периоды разру­шения, сопровождающиеся потерей массы. Продолжительность скрытого периода связана с физико-механическими свойствами материала, акустическим режимом, свойст-

Рис. 12. Относительное изменение суммарного объ­ема, занимаемого кавитационными пузырьками, с ростом амплитуды колебаний

Рис. 13. Характерный вид кавитационного разруше­ния поверхности алюминия:

а — общий вид поверхности X 750; б — отдельная лунка X 2000

18

Рис. 14. Кинетическая кривая кави-тационного разрушения поверхности