УДК 620.179.16
АКУСТИКО-ЭМИССИОННЫЙ МОНИТОРИНГ КАПИЛЛЯРНОГО ДВИЖЕНИЯ ЖИДКОСТИ В ПОРИСТЫХ СРЕДАХ
С.И. Буйло, Д.М. Кузнецов, В.Л. Гапонов
Рассмотрена динамика изменения параметров акустической эмиссии (АЭ) в процессе капиллярного движения жидкости в пористой среде. Экспериментально установлена применимость модели экспоненциально затухающего процесса к процессам пропитки. Предложен метод контроля глубины и полноты пропитки материалов по данным АЭ-измерений.
Ключевые слова: акустическая эмиссия, диагностика, жидкая среда, капилляры, кинетика, неразрушающий контроль, пористая среда, пропитка.
К настоящему времени в ряде работ показана перспективность применения метода акустико-эмиссионной диагностики для исследования кинетики различных физико-химических процессов в жидких средах [1—5].
Цель настоящей работы — анализ динамики изменения количества актов АЭ в процессе капиллярного движения жидкости в пористых средах с целью междисциплинарного расширения области применения эффекта эмиссии и создания физического неразрушающего метода контроля глубины и полноты пропитки материалов по параметрам сопутствующего акустического излучения.
До сих пор экспериментальные исследования динамики движения жидкостей по капиллярам проводили в основном оптическими методами с использованием прозрачных материалов [6]. Теоретическим обоснованием возможности и перспективности использования метода АЭ для определения динамики капиллярного движения жидкости может служить известный эффект "прыжков Хейнса". Физическая природа прыжков Хейнса заключается в следующем: при объемном капиллярном течении в гофрированном капилляре мениск вынужден периодически растягиваться и сжиматься в расширениях и сужениях капилляра соответственно. Внедрение в пористый объект жидкости порождает растущий перколяционный кластер, расширение которого происходит нерегулярными скачками, связанными с заполнением карманов пор с большим радиусом (по сравнению с радиусом узкого горлышка, соединяющего карман с кластером). При этом мениск принимает форму, далекую от равновесной. Такие места мениск проходит очень быстро. Это явление и получило название "прыжки Хейнса". Оно обусловлено флуктуацией давления в жидкости при пропитке и дренаже, сопровождается соответствующей диссипацией энергии, а следовательно, должно сопровождаться и акустическим излучением регистрируемого уровня.
Схема эксперимента показана на рис. 1. Керамический образец (в нашем случае пористый алюмооксидный носитель А1203) подвешивали в жидкость таким образом, чтобы кромка образца соприкасалась с уровнем жидкости, обеспечивая капиллярную пропитку. В процессе пропитки индуцируемые волны АЭ достигали стенок емкости и воспринимались чувствительным пьезодатчиком. Принятые датчиком сигналы АЭ усиливались пред-усилителем и далее по кабелю подавались на вход цифрового измерительно-
Сергей Иванович Буйло, доктор физ.-мат. наук, заведующий отделом акустики твердого тела НИИ механики и прикладной математики Южного федерального университета, г. Ростов-на-Дону. Тел. (863) 2434377. E-mail: bsi@math.sfedu.ru
Дмитрий Михайлович Кузнецов, доктор техн. наук, профессор Донского государственного технического университета (ДГТУ), г. Ростов-на-Дону. Тел. (863) 2528488. E-mail: kuznetsovdm@mail.ru
Владимир Лаврентьевич Гапонов, доктор техн. наук, директор института Энергетики и Машиностроения ДГТУ, г. Ростов-на-Дону. Тел. (863) 2529351. E-mail: gaponob@rgashm.ru
20
С.И. Буйло, Д.М. Кузнецов, В. Л. Талонов
го комплекса A-Line 32D фирмы Интерюнис. До и после пропитки образец взвешивали на точных весах. Температуру раствора и образца контролировали с помощью тепловизора.
7
Рис. 1. Структурная схема установки:
исследуемый образец; 2 — конический сосуд; 3 — тепловизор; 4 — жидкость; 5 — датчик АЭ; 6 — предусилитель; 7 — цифровой АЭ диагностический комплекс А-Ьте 32Б.
В ходе экспериментов регистрировали энергию Еа сигналов АЭ относительно некоторого порогового уровня, активность (количество в единицу времени) Щ и сумму импульсов АЭ Щ [7].
Результаты одного из экспериментов приведены на рис. 2. Видно, что параметры сигналов АЭ в процессе капиллярного движения жидкости в пористой среде экспоненциально затухают во времени.
Рассмотрим более подробно динамику изменения интенсивности потока (то есть количества в единицу времени) актов АЭ N = ёЫа/Л и суммарного количества актов АЭ N во времени. Учитывая, что в описываемых экспериментах коэффициент искажения и перекрытия сигналов АЭ был много меньше единицы, количественная оценка интенсивности потока актов АЭ N определяли непосредственно по измерению активности Щ (интенсивности потока продетектированных радиоимпульсов АЭ [7]) без использования процедуры восстановления (то есть считали, что N ~ N и N « Щ) [7, 8]. а
Статистическая обработка результатов показала, что регистрируемая интенсивность потока актов АЭ действительно падает по экспоненте, а суммарное количество актов АЭ хорошо описывается в рамках модели экспоненциально затухающего процесса, аналогичного рассмотренному нами ранее в [2]
N = Km(1 - e-tlz),
(1)
где N — суммарное количество актов АЭ к данному моменту времени К — некоторый коэффициент, зависящий от чувствительности АЭ-аппарату-ры и методики регистрации акустических сигналов; т — суммарная масса поглощенной жидкости к окончанию процесса капиллярной пропитки; т — постоянная времени релаксации процесса пропитки, определяемая по данным эмиссии на рис. 2б.
Используя уравнение (1), можно рассчитать суммарное количество актов АЭ или массу поглощенной жидкости в любой момент времени. К сожа-
1
100 90 80 70 60 50
30 24 18 12
1500
1200
900
600
300
0 0
Энергия, дБ/Время, с
Л . 1-
300
300
600
900
1200
А ктивность А Э/Время, с
1 1
л / А
11.11 ■Ьи 1,1. ^ ■ " ■ 1
Сумма импульсов АЭ/Время, с
600
900
1200
Рис. 2. Динамика изменения параметров АЭ во времени в процессе пропитки пористого образца А1203 (скриншоты с экрана А-Ьте 32Б).
а
лению, по причине непрозрачности исследуемых образцов непосредственно оценить динамику изменения высоты поднятия жидкости в процессе их пропитки в данных экспериментах не представлялось возможным. Попробуем оценить эту динамику косвенно, используя экспериментальные результаты работы [9], в которой приведены данные по измерению скорости и высоты капиллярного поднятия 95 % спирта по стеклянным капиллярам различного диаметра. Статистическая обработка результатов [9] показала, что динамика изменения высоты подъема жидкости к с точностью лучше 5 % описывается соотношением к = ктах(1 - е-/х), представляющим частный случай формулы (1). Здесь ктах — установившийся (максимальный) уровень подъема жидкости. Применимость формулы (1) к оценке высоты поднятия жидкости (глубины пропитки) следует также и из того факта, что при неизменной плотности жидкости и неизменной средней площади сечения капилляра или образца, динамика изменения высоты поднятия жидкости должна точно повторять динамику изменения самой массы жидкости.
Это позволяет использовать формулу (1) для экспериментальной оценки динамики процесса пропитки и капиллярного поднятия жидкости по данным АЭ-измерений. Например, предварительно определив по
22
С.И. Буйло, Д.М. Кузнецов, В. Л. Гапонов
данным АЭ-экспериментов конкретные значения K и т, можно по регистрируемым значениям Na экспериментально оценить массу m (полноту пропитки) поглощенной жидкости и высоту поднятия h (глубину пропитки) в любой момент времени t.
Конкретные значения постоянной времени пропитки т можно определить по падению значений графика зависимости dNJdt в e раз (точка А на рис. 26). Значение т можно также оценить непосредственно по данным рис. 2в в ходе аппроксимации (например, методом наименьших квадратов) экспериментальных значений Na соотношением (1). Определив т и подставив в (1) экспериментальные значения Na в моменты времени t > 3—5т, а также конечную массу поглощенной жидкости m, из формулы (1) получим конкретное значение коэффициента K.
Аналогично, подставив в (1) экспериментальные значения Na в моменты времени t < 3—5т, а также hmax вместо m, из формулы (1) получим другое конкретное значение коэффициента K для оценки динамики капиллярного поднятия жидкости (глубины пропитки) по данным АЭ-измерений.
Описанные выше результаты получены при комнатной температуре. АЭ-исследования процесса капиллярной пропитки в диапазоне температур показали, что при повышении температуры раствора до 40—50 °C суммарное количество актов АЭ Na и значение постоянной времени релаксации процесса пропитки т падают приблизительно в два раза. Причина этого скорее всего в физике процесса — при более высокой температуре смачиваемость поверхности жидкостью становится выше, скорость пропитки увеличивается, а ее неравномерность (суммарное количество "прыжков Хейнса") уменьшается [10].
Итак, данные проведенных экспериментов показывают, что метод акустической эмиссии может быть с успехом применен для количественного исследования динамики капиллярного движения жидкости в процессах пропитки. Это позволяет предложить новый метод неразрушающего контроля глубины и полноты пропитки материалов по параметрам сопутствующего акустического излучения.
Работа выполнена при поддержке Минобрнауки России (тема № 213.0111/2014-29) и Российского фонда фундаментальных исследований (Проект № 12-08-01190-а).
НИИ механики и прикладной математики Поступила в редакцию
им. И.И. Воровича 18 декабря 2013 г.
Южного федерального университета Донской государственный технический университет г. Ростов-на-Дону
ЛИТЕРАТУРА
1. Буйло С . И ., Кузнецов Д . М. Акустико-эмиссионный контроль и диагностика кинетики физико-химических процессов в жидких средах.— Дефектоскопия, 2010, № 9. с. 79—83.
2. Буйло С . И ., Кузнецов Д. М., Гапонов В . Л., Трепачев В . В . Акустико-эмиссионный контроль и диагностика кинетики растворения кристаллических веществ.— Дефектоскопия, 2012, № 10, с. 53—56.
3. Kuznetsov D.M., Builo S.I. and J.A. Ibragimova. Corrélation Evaluation of the Acoustic Emission's Method the Tool of Exo Sa
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.