научная статья по теме СИЛЬНОЕ РАСШИРЕНИЕ-СЖАТИЕ ПОЛОСТИ В ЖИДКОСТИ ПРИ АКУСТИЧЕСКОМ ВОЗДЕЙСТВИИ Математика

Текст научной статьи на тему «СИЛЬНОЕ РАСШИРЕНИЕ-СЖАТИЕ ПОЛОСТИ В ЖИДКОСТИ ПРИ АКУСТИЧЕСКОМ ВОЗДЕЙСТВИИ»

ПРИКЛАДНАЯ МАТЕМАТИКА И МЕХАНИКА

Том 78. Вып. 3, 2014

УДК 532.5

© 2014 г. М. А. Ильгамов

СИЛЬНОЕ РАСШИРЕНИЕ-СЖАТИЕ ПОЛОСТИ В ЖИДКОСТИ ПРИ АКУСТИЧЕСКОМ ВОЗДЕЙСТВИИ

Построена простейшая модель сильного растяжения-сжатия сферической вакуумированной полости в неограниченной идеальной несжимаемой жидкости при акустическом воздействии. Принимается, что полость образуется в момент максимального разрежения жидкости в результате нарушения ее сплошности элементарными частицами, амплитуда наведенных акустических колебаний на порядок и более превышает среднее давление в жидкости. Траектория движения межфазной границы разбивается на три стадии, на каждой из которых принимается некоторое постоянное значение давления. Это позволяет получить приближенное аналитическое решение задачи. Показывается его согласие с численным решением исходной задачи, достаточное для качественных оценок. Полученное решение позволяет проводить параметрический анализ процессов при растяжении-сжатии полости, сократить объем вычислений при численном моделировании с учетом дополнительных факторов.

Динамике газовых и паровых пузырьков при постоянном перепаде давления и акустическом воздействии на жидкость посвящена большая литература (см., например, [1—3]). Исследования сферического расширения—сжатия, колебаний формы, ее устойчивости выполнены с применением численных методов. Отдельные параметры процесса определялись и аналитически (см., например, [4]). В последние годы особое внимание уделялось сильному расширению и сжатию пузырьков микронных размеров в специально подготовленных жидкостях.

В [5—8] и в других работах приводятся результаты экспериментальных и теоретических исследований явления. При этом численный анализ сферических колебаний и устойчивости формы проводился с учетом уравнения состояния для жидкости и пара в виде Ми-Грюнайзена, поверхностного натяжения, теплопроводности, испарения на стадии расширения и конденсации на стадии сжатия, ударных волн в пузырьке применительно к условиям эксперимента [5]. В данной работе строится приближенная теория расширения—сжатия полости в идеальной несжимаемой жидкости при условии возникновения ее в момент максимального разрежения и малости по сравнению с единицей квадрата отношения среднего давления в жидкости к амплитуде акустических колебаний.

1. Исходные допущения. Можно выделить два режима сильного расширения полости, определяемые начальным ее состоянием и действием давления

Рю = Ро - Pa sin(©t + (1.1)

заданного в жидкости на значительно большем удалении, чем начальный и текущий радиусы R0 и R полости. Здесьp0 — среднее давление, pa, ю и ф — амплитуда, частота и фаза колебаний давления, t — время.

Под первым режимом будем подразумевать расширение имеющейся полости при ф = 0 (фиг. 1, а), когда отрицательное напряжение в жидкости возникает при pa sin wt > ро. В зависимости от R0 и давления pю в начале движения может происходить плавное увеличение радиуса с положительным ускорением, либо уменьшение радиуса с последующим расширением. Последний случай изображен на фиг. 1, а при

р = 858 кг/м3, р0 = 1 бар, pa = 2 бара, ю/ (2п) = 19.3 кГц, R0 = 70 мкм

Фиг. 1

Давление показано штриховой линией. После этапа положительного ускорения расширение происходит почти с постоянной скоростью. С наступлением стадии положительного значения расширение замедляется, достигается максимальное значение радиуса Ят и далее происходит

ускоренное сжатие. При относительно малых ра, ю под действием положительного давления

полость схлопывается без расширения (на фиг. 1, а: = 60 мкм, остальные параметры те же).

Второй режим расширения имеет место, когда в момент наибольшего растяжения (ф = к/ 2) специально очищенной от примесей жидкости (в частности, для исключения преждевременного ее разрыва) на нее воздействуют, например, элементарные частицы. При этом образуются мельчайшие пузырьки. В экспериментах [5] дейтерированный ацетон подвергался нейтронной бомбардировке, синхронизированной с акустическими колебаниями, а в [6] используются альфа-частицы. В этих экспериментах реализуется большое отношение амплитуды колебаний давления (ра = 15 бар) к его среднему значению (р0 = 1 бар). Для второго режима характерен короткий начальный период расширения с положительным ускорением и быстрый выход на движение с почти постоянной скоростью (фиг. 1, б). Дальнейшее торможение движения и сжатие полости при акустическом воздействии в обоих режимах происходит одинаково. Наиболее четко первый режим проявляется при малом значении отношения ра/р0, а второй режим — при большом значении этого отношения. При высоких частотах и амплитудах давления может быть более сложная динамика (например, несколько максимумов радиуса [1]). Такие случаи здесь не рассматриваются.

В данной работе дается качественный анализ второго режима расширения—сжатия за один цикл колебания давления в простейшей постановке. Применяются допущения: давление в по-

лости равно нулю, жидкость невесомая, идеальная и несжимаемая, протяженность ее много больше наибольшего размера полости, поверхностное натяжение отсутствует. Не учитывается продолжительность начальной стадии расширения с положительным ускорением ввиду ее малости по сравнению с общим временем расширения при ф = %/2 и больших значениях pa по сравнению с p0.

Принимаются постоянные значения давления px по характерным временам, что позволяет сильно упростить задачу. Расширение полости с постоянной скоростью на участке от точки 0 до 1 (фиг. 1, б) и дальнейшее торможение движения расширения, переход к медленному сжатию на участке от точки 1 до точки 2, быстрое сжатие на заключительной стадии происходит при средних значениях давления соответственно

1'' 1 '2 1 'с

Р01 = - \p^dt, P12 =-{p^dt, P2c =-{Pcadt, (1.2)

hn t2 - t1 . tc -12,

0 t1 t2

где Г1, t2 и tc значения времени от начала движения до точек 1, 2 и момента коллапса (R = 0), определяемого из решения задачи.

Время t1 определяется из условия po - pa cos ®t1 = 0. Принимая ®t1 = к/2 - x и учитывая малость p0/pa и х по сравнению с единицей (sin x « x, cos x ж 1), находим x я po/pa или

®t1 =п/2 - po/pa (1.3)

В дальнейшем всюду пренебрегаются величины порядка (p0/pa)2 по сравнению с единицей.

Время ®t2 может быть взято произвольно между значением, соответствующим максимальному давлению, которое достигается при п, и значением, когда можно считать (R/Rm)3 < 1 (это условие будет понятно из дальнейшего). Можно исходить, например, из требования R2 = R1 или равенства скоростей двух участков в точке 2. Здесь принято фиксированное значение на ниспадающем участке давления

®t2 =л + л/8 (1.4)

Тогда из (1.1)—(1.4) имеем

2ap2 (0 < t < t1

po1 « p0--a— I R < R < R I (1.5)

npa - 2p0 V R0 < R < R1J

^ + api (8 + n) (t1 < t < t2, R1 < R < RmЛ (16)

P12~ p0 5npa + 8p0 VRm * R * R2 )

p2c я p2 - 0.19paffl(tc - t2), p2 = p0 + 0.92pa 0) (1.7)

В (1.5) и (1.6) включен коэффициент a, который имеет значение а > 1. В случае p¡)/pa ^ 1 и

a = 1 имеем p01 я -2 pa/п, p12 ~ 2pa/п. Между тем при больших значениях напряжения растяжения жидкости полость из начального состояния быстро приобретает скорость, которая при дальнейшем расширении остается почти постоянной до точки 1 (фиг. 1, б). Установление этой скорости происходит приблизительно при —pa, а не при —2pa/n. Для торможения движения с такой скоростью на участке после точки 1 и обращения его в сжатие также требуется большее давление, чем 2pa/n. Таким образом, по физическим соображениям коэффициент a должен быть

больше единицы. Наибольшее его значение равно a = п/ 2 = 1.57. При учете среднего давления с отношением pa/p0 = 15 имеем a = 1.51. В расчетах можно принять среднее значение между 1 и 1.57 (а = 1.28). В отличие от (1.5) и (1.6) выражение (1.7) для среднего давленияp2c (p2 — давление в точке 2) записано без коэффициента a, так как заключительная стадия схлопывания приходится на относительно малый интервал времени, где переменная часть давления близка к максимальному значению. При получении (1.7) принято sin тих, cos т ® 1 - т2/2, где т = ®(tc -12).

2. Зависимость радиуса от времени. Уравнение радиального движения несжимаемой идеальной жидкости [1—3]

яя + 3 я2 -

■ = 0 2 Р

плотность жидкости, р

(2.1)

где р — плотность жидкости, р — давление внутри полости, при постоянном перепаде давления Л - Ра имеет первый интеграл (Яо и Яо — начальные радиус и скорость)

яя2 = Я2 [Я

2 (Р1 - Р*)

яо

я3

(2.2)

Предполагается, что движение в самом начале расширения может быть определено сугубо приближенно, тем более, что, как выше было сказано, не учитывается короткая стадия ускоренного движения. Поэтому опуская в (2.2) члены с множителем (Я0/Я)3 (который на порядок меньше единицы уже при яо/ я = 1/2, а рассматривается расширение порядка 102—103 раз), учитывая Р1 = 0 и подставляя вместо рш выражение из (1.5), получаем

я = я0 + я^, я1

2 РдРр

в

2ара - про ПРа - 2 Ро

о < t < ^

яо < я < я1

Для участка между точками 1 и 2 вместо (2.2) имеем (р, = о)

я2 = я1

2 Г я

я

2 Р12 3р

1 -

(2.3)

(2.4)

где я1 известные из (2.3) значения скорости и радиуса

1

1Г2РаР^2 Гп_ ро )

3р ) 12 Ра ^

Уравнение (2.4) не интегрируется в элементарных функциях. Представим его в следующем легко интегрируемом виде

я1 = яо + ял = яо +-

(2.5)

Я-

я2

2! я1

я

2 Р12 3р

1 -

1

1

I2 (я1 12

я) ,

(2.6)

приближенно описывающем движение на участке между точками 1 и 2 (например, подстановкой х = я У2 оно сводится к табличному интегралу). Вносимое последним сомножителем изменение скорости будет оценено далее.

Интегрируя уравнение (2.6) с учетом выражения (1.6) для р12 и (2.3), получаем зависимость радиуса от времени на участке между точками 1 и 2 1

(I1+

^ ( -t■) ,

„ряГ) 2ря{

Щ ((- * )2,

1 =

(8 + п)аРа + 5пРо

(2.7)

5пРа +

Входящий сюда радиус Я1 дается формулой (2.5).

Из (1.6), (2.4), (2.7) при я = ят, t = tm, Ят = о определяются значения максимального радиуса Ят и соответствующего времени т по формулам

1

1оя1 ( пр ^2

ч3

(ят.\ ~ 1+ Р 1т ,

I я1) ~ , '

(2.8)

ц tl (8 + п) tl \3аРа Последнее выражение для простоты записано при пренебрежении

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.

Показать целиком