ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2013, том 450, № 6, с. 662-664
МЕХАНИКА
УДК 532.516
ГИДРОДИНАМИЧЕСКИМ ИСТОЧНИК РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ © 2013 г. А. А. Монахов
Представлено академиком С.С. Григоряном 08.01.2013 г. Поступило 11.01.2013 г.
БО1: 10.7868/80869565213180114
Процесс доставки слабопроводящей жидкости в различных технических устройствах может осложняться электризацией, и для нормальной работы всего технологического процесса необходимо контролировать степень электризации потока и вынос объемного заряда. Используемые теоретические модели еще недостаточно хорошо развиты, и расчеты, выполненные на их основе, не в полной мере согласуются с экспериментальными данными. В случае возникновения кавитации, как показывают экспериментальные исследования [1], не весь заряд выносится потоком, а значительная его часть может аккумулироваться на стенках канала и приводить к существенному изменению среды.
Первые наши исследования по электризации и возникающему при этом свечению жидкости проводились в цилиндрическом канале диаметром 1мм со стенками из фторопласта [2]. Было показано, что кавитационное свечение имеет дискретный характер и сопровождается коррелированной радиопомехой. Это является важным аргументом, подтверждающим электрическую природу свечения кавитационных пузырьков и ранее не приводившимся [3].
В настоящей работе представлены результаты исследования течения углеводородной жидкости в тонком коаксиальном канале. Такой переход от цилиндрического канала к коаксиальному позволил изменять толщину канала, не уменьшая его внешних размеров. На рис. 1. представлена схема канала. Центральная часть 1 выполнена из эбонита диаметром 10 мм и длиной 30 мм. На его конечной части имеются небольшие каверны 2 в виде углубления в 0.5 мм для кавитации жидкости. Внешняя часть канала сделана составной из фторопласта 3 длиной 20 мм и органического стекла 4 для регистрации процессов. Зазор между стенка-
ми канала 1 и 3 составлял 0.3 мм. Между фторопластом и оргстеклом помещалась металлическая шайба 5. В конце канала размещался зонд 6 в виде сетки для измерения степени заряда жидкости. Движение жидкости в канале задавалось перепадом давления посредством шестеренчатого насоса.
При этом в потоке присутствовали пульсации давления и скорости. В качестве жидкости использовалось техническое масло АИ 20; числа Рейнольдса Яе не превышали 70.
На рис. 2 приведен график значений компонент электризации жидкости на выходе из канала в зависимости от скорости потока. Скорость потока в канале определяли по расходу жидкости. Измерения проводили зондом, работающим в плавающем режиме. "Плюс" соответствует положительной компоненте, "минус" — отрицательной. При малых докавитационных скоростях в результате взаимодействия жидкости и стенки [4] в потоке присутствует только положительная компонента, величина которой возрастает с увеличением скорости. Это связано с наличием прямоугольного профиля скорости в начальном участке канала и электризацией жидкости стенкой канала. Сигнал с зонда показан в верхнем левом углу графика. Присутствие фтора во фторо-
Л
Научно-исследовательский институт механики Московского государственного университета
им. М.В. Ломоносова Рис. 1. Схема коаксиального канала.
ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЙ ИСТОЧНИК
663
Отн. ед.
1 [ [ 1 Г I I
V, м/с
Рис. 2. Зависимость компонент электризации жидкости на выходе из канала от скорости потока.
пласте приводит к захвату электрона у молекулы жидкости за счет наибольшего значения сродства к электрону среди элементов [5]. Необходимо отметить, что с течением времени положительная компонента уменьшается, поскольку стенка канала входит в режим насыщения, и ток выноса практически исчезает.
При скорости потока более 2.4 м/с в областях 2 возникает кавитация. При этом зондом регистрируются как положительная компонента, так и отрицательная. Сигнал с зонда на рис. 2 приведен в нижнем правом углу. В области кавитационных скоростей в положительную компоненту электризации вносят вклад как стенка, так и процесс кавитации. Однако при достижении стенкой режима насыщения обе компоненты при кавитации будут равны.
При кавитационных скоростях в областях 2 наблюдается свечение жидкости (рис. 3). В них за счет кавитации и замкнутой циркуляции жидкости происходит накопление заряда посредством перезарядки от ионов потока. Вероятность такого процесса характеризуется эффективным поперечным сечением и в случае равенства скоростей соседних слоев жидкости будет максимальной. Электрический потенциал жидкости в кавитационных областях может достигать 100 кВ. Эти области являются изолированными источниками, и их разряд осуществлялся на металлическое кольцо 5, которое выступало в роли катода. Как видно из рис. 3, яркость свечения разрядов уменьшается по его длине, что свидетельствует об уменьшении тока. Длина разряда составляет около 8 мм и его невозможно объяснить как электрический пробой слабопроводящей жидкости.
Установлено, что возможность такого разряда в слабопроводящей жидкости обеспечивают ка-витационные "нити" 6, движущееся с потоком. Их образование обнаружено в начальном участке канала, где при некоторой скорости потока происходит отрыв течения от стенки с образованием полости — присоединенной кавитационной ка-
Рис. 3. Разряд кавитационных областей 2 на металлическое кольцо 5 под действием кавитационной цепочки 6 (см. рис. 1).
664
МОНАХОВ
Рис. 4. Регистрация рентгеновского излучения на пленке. 1 — область прямого рентгеновского излучения, 2 — интерференционные участки.
верны. Возможно, за счет пульсаций скорости и давления происходит ее отрыв в виде кавитационной нити. Устойчивость такой цепочки при движении по потоку можно объяснить электростатическим притяжением кавитационных пузырьков, предполагая, что половинки пузырька имеют разные знаки заряда. Длительное свечение кавитационных пузырьков обеспечивается их деформацией за счет пульсаций давления. Скорость движения кавитационной нити в канале на порядок меньше скорости потока, что указывает на их движение в погранзоне. Образование и движение светящихся кавитационных пузырьков в виде нити можно рассматривать как зарядовый кластер с большой проводимостью. Такой кластер в канале между кавитационной областью 2, имеющей высокий потенциал, и металлическим кольцом 5 провоцирует разряд. При этом форма разряда и кавитационной цепочки совпадает.
Обнаружено, что разряд кавитационных областей приводит к возникновению рентгеновского излучения. Излучение регистрировали газораз-
рядным счетчиком на расстоянии 60 мм от разряда. Его уровень составлял 750 мкР/ч при фоне в помещении 12 мкР/ч. Контрольная регистрация излучения осуществлялась рентгеновской пленкой, расположенной на таком же расстоянии (см. рис. 4). На фотографии имеется центральное затемнение 1 от прямого рентгеновского излучения и несколько дугообразных интерференционных участков 2. Поскольку разряд был нестабильным и проходил в жидкость, картина несколько отличается от классической при разряде на кристалл.
Другой механизм возникновения рентгеновского излучения при пузырьковой кавитации быстрой струи жидкости в диэлектрических каналах описан в работе [6]. Здесь рентгеновское излучение, по утверждению авторов, возникает за счет воздействия ударных волн на поверхностные атомы стенки канала от кавитационных пузырьков при их схлопывании.
Таким образом, показана возможность образования всех необходимых условий для генерации рентгеновского излучения при движении слабо-проводящей жидкости в диэлектрическом канале: источника высокого напряжения и необходимой среды разряда в виде кавитационных нитей, движущихся в потоке.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Герценштейн С.Я., Монахов А.А. // Изв. РАН. МЖГ. 2009. № 3. С. 114-119.
2. Герценштейн С.Я., Баранов Д.С., Бухарин Н.С., Монахов А.А. // ДАН. 2006. Т. 406. № 6. С. 749-752.
3. Маргулис М.А., Маргулис И.М. // ЖФХ. 2007. Т. 81. № 1. С. 136-147.
4. Полянский В.А., Панкратьева И.Л. // www.chemp-hys.edu.ru/pdf 2006-05-11-001.pdf
5. Физические величины: Справочник / Под ред. И.С. Григорьева, Е.З. Мейлихова. М.: Энергоатом-издат, 1991. 1232 с.
6. Корнилова А.А., Высоцкий В.И., Сысоев Н.Н., Десятов А.В. // Поверхность. 2009. № 4. С. 17-26.
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.