научная статья по теме ЗВУКОВЫЕ ВОЛНЫ В ДВУХФРАКЦИОННЫХ ПОЛИДИСПЕРСНЫХ ПУЗЫРЬКОВЫХ ЖИДКОСТЯХ Математика

Текст научной статьи на тему «ЗВУКОВЫЕ ВОЛНЫ В ДВУХФРАКЦИОННЫХ ПОЛИДИСПЕРСНЫХ ПУЗЫРЬКОВЫХ ЖИДКОСТЯХ»

ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2012, том 447, № 3, с. 284-287

МЕХАНИКА

УДК 532.529:534.2

ЗВУКОВЫЕ ВОЛНЫ В ДВУХФРАКЦИОННЫХ ПОЛИДИСПЕРСНЫХ ПУЗЫРЬКОВЫХ ЖИДКОСТЯХ

© 2012 г. Академик РАН Р. И. Нигматулин, член-корреспондент РАН Д. А. Губайдуллин, Ю. В. Федоров

Поступило 18.07.2012 г.

Различные проблемы акустики смесей жидкостей с пузырьками газа или пара рассмотрены в известных монографиях [1, 2]. Исследовано распространение акустических волн в однофракци-онных [3] и двухфракционных [4] смесях жидкости с монодисперсными парогазовыми и газовыми пузырьками различных размеров с фазовыми превращениями. Модель распространения плоских волн давления малой амплитуды в смеси жидкости с пузырьками газа представлена в работе [5]. Показано, что модель работает хорошо при объемных содержаниях дисперсной фазы 1—2% и только для дорезонансных частот. В настоящей работе впервые изучается динамика слабых возмущений в двухфракционных смесях жидкости с полидисперсными газовыми пузырьками разного состава, в том числе и с очень малым объемным содержанием (а2 ~ 10-4), когда может сказываться сжимаемость несущей фазы.

ОСНОВНЫЕ УРАВНЕНИЯ

Система линеаризованных интегродифферен-циальных уравнений, определяющая распространение звуковых волн в двухфракционной смеси жидкости с полидисперсными пузырьками газа, имеет вид

М + Р10 ^ = 0, д? дх

др'2

д^

+ р2о^ = 0,

д? дх

д£ж + р2о ^ = о,

д? дх

дпк + „оа дх! = о, ^ + „оь^ = о,

д? дх д? дх

рш ^ + = о,

д? дх

Институт океанологии им. П.П. Ширшова Российской Академии наук, Москва Институт механики и машиностроения Казанского научного центра Российской Академии наук, Казань

3У 1аРо\-^т) -{Чар2а) а ,

\а д?/а

-3У2ьРо{\-{ЧьРгь>ь, \Ь дИь

(1)

да' д?

= ™Ла + ™

Ка

+ 4У] _

д?

д?

™Ла _ Р2,

а

= КЛЬ + ^кь , р1

о

Р1о

кь

д?

+ 4у] ^КЪ = £ж

1 ь

Р1

^Ла =

Р2а - Р1

о п / а ЧВ '

рюС1<а 2о)

™ль =

о

Р1о

р2 ь - Р1

о ! ь ЧВ ' рюС1<а 2о)

Р1 = С1Р1

2 ,о

{н)1 = ±- [ Мо(1)Ео(1)НМ, ^,(0 = 4П1 Зр2,, Р2^ 3

3

9 = ~(У 21 - 1)('ю)(У сШ у I -1),

У/

У I =

т/

К 2

I = а, ь.

Здесь и далее нижние индексы 1 и 2 относятся к параметрам жидкой и газовой фаз. Штрихи обозначают возмущения параметров, 0 — начальное невозмущенное состояние. Переменные с индексом а относятся к пузырькам газа радиуса а, с индексом Ь — к пузырькам газа другого сорта радиуса Ь, х — координата, ? — время, р0, р — истинная и средняя плотность смеси, V — скорость, р — давление, п — число пузырьков в единице объема, Т — температура, у — показатель адиабаты, м> — скорость радиального движения пузырьков, а — объемное содержание, v1 — кинематическая вязкость жидкости, ю — частота возмущений, к — коэффициент температуропроводности, С — скорость звука в несущей фазе, Ио(а) и Ио(ь) — функции распределения пузырьков газа по размерам.

В работе [8] значение р =1 как будет показано

ниже, для объемных содержаний дисперсной фазы 0.5—1% лучше использовать значение в =

Исследуем решения этой системы уравнений, имеющие вид прогрессивных волн для возмущений ф' (ф' = р;, р , р 2ь, р1, т;,...»:

Ф' = Лф ехр[/(К*х -шг)], К* = К +/К**,

С _Ш (2 _-; <2>

где К* — комплексное волновое число, К** — линейный коэффициент затухания, Ср — фазовая скорость.

ДИСПЕРСИОННОЕ СООТНОШЕНИЕ

Из условия существования у системы линейных уравнений (1) нетривиального решения вида (2) получено следующее дисперсионное соотношение:

_ _1_ + За2оа;орю (0а)а + За2оа;орю(0Ь)Ь (3) " С^ 3У2аРо - (Оа$а)а 3У2ЬРо - ^ь)Ь

2

К*

V

С, = С. 9

а;о

Нк

_ ; = к2

Sk =

/ш,

^ =

С; (а кк/5

/ ш к2 Нк р оо

; + нкгк ' к = а, Ь.

Из дисперсионного соотношения (3) выведены низкочастотная и высокочастотная асимптотики линейного коэффициента затухания К**,

справедливые для частот ш и ю ^ —2" соот-

/

5,3

5,3

ветственно, где

¡и =

X/7' >.

;/(/_у)

* 7, / = а,

Здесь /,' — средние радиусы пузырьков, аналогичные таковым в [6]. При получении асимптотик пренебрегалось кинематической вязкостью жидкости V ;.

Низкочастотная асимптотика записывается следующим образом:

Се 2

Се =

К*о)(ю) =

о 2

аЮа2о(У2а - ОрШ^ + аЮа2о(У2Ь - ^Рш^ЗЛ

15 Ро У 2а К

15 Ро У 2Ь К 2Ь

2

Ю ,

; , Роо(2 -У2а)а;оа2о , Роо(2 -У2Ь)аюа2оЛ /

~2 +

V

Ро У 2а РоУ 2Ь

где С — равновесная скорость звука. Видно, что в данной асимптотике характерными являются средние радиусы а53 и Ь53, ранее введенные при анализе акустики газовзвесей [6] и характеризую-

сь м/с

104г

105

/, Гц

Рис. 1. Сопоставление теории с экспериментальными данными для зависимостей относительной скорости звука от частоты возмущений с учетом акустической разгрузки (сплошная линия) и без учета акустической разгрузки (штриховая).

щие межфазный теплообмен. При распространении звуковых волн линейный коэффициент затухания прямо пропорционален квадрату частоты возмущений.

Высокочастотная асимптотика имеет вид

К**)(ю) = С, - С3 (Н; + Н2) Щ,

1 2 1 4ш2

Н _ 3а2раЮНа ^ Н _ 3а2оаЮНЬ ? Н — (С(а^);/3) а4,3 Ь4,3

Ь ^- - (Н; - (Н4 + Н5),

Нь — (С;(аЬо);/3Г;, Н3 -

о 1 и2

Н - 3ГЧ а ГЧ р;о 3роНаУ2а Н 4 — 3а 2оа;о о 2 !

р;оа4,3

о 1 и2

Н - 3гчЬ п, р;о 3роНьУ2Ь Н 5 - 3а2оа;о •

Р;оЬ4,3

СРАВНЕНИЕ ТЕОРИИ С ЭКСПЕРИМЕНТОМ

Данные, приведенные на рис. 1, 2, позволяют сопоставить теорию с экспериментальными данными [7] для зависимостей относительной скорости звука и линейного коэффициента затухания

от частоты возмущений , = —. Эксперименталь-

2п

ные данные 1 получены при значениях а0 =

= 1.9 -10 3, а2 = 5.8 • ;о 4, теоретическая кривая 2 — а е [1.9 • ;о-3,3 • ;о-3], а2а = 5.8 • ;о-4, а2Ь = о и без учета акустической поправки ^'Ла = о), кривая 3 — при тех же значениях, что и 2, но с учетом

286

Рис. 2. Сопоставление теории с экспериментальными данными для зависимостей линейного коэффициента затухания от частоты возмущений с учетом акустической разгрузки (сплошная линия) и без учета акустической разгрузки (штриховая).

акустической поправки. Функция распределения

пузырьков по размерам #о(а) = а . Видно, что акустическая поправка существенно влияет на поведение кривых, которые, в свою очередь, хорошо согласуются с экспериментальными данными.

В реальных экспериментах достаточно сложно получить монодисперсную пузырьковую среду, когда все пузырьки имеют один и тот же радиус. Высока вероятность наличия фракции очень маленьких пузырьков малого объемного содержания, которая оказывает, как будет показано ниже, существенное влияние на динамику распространения волн.

Рисунок 3а: экспериментальные данные 1 получены при значениях ао = 2.6 • 1о м, а2 = о.о1; кривая 2 — ао = 2.6 • 1о-3 м, а2 = о.о1; 3 — а2а = 10-2,

а е [2.6 • 1о-3,5.6 • 1о-3], а2ь = 2 • 1о-4, Ь е [6.5 • 10-4, 8.5 • 10-4], 4 — при тех же значениях, что и 3, но с модифицированной поправкой, которая будет приведена ниже.

Рисунок 3б: экспериментальные данные 1 получены при значениях ао = 2.1 • 1о м, а2 = 0.0053, кривая 2 — ао = 2.1 • 1о-3 м, а2 = о.оо53, 3 — а2а = о.оо53, а е [2.1 • 1о-3,4.1 • 1о-3], а2ь = 1о-4,

ь е [6.5 • 1о-4,8.5 • 1о-4]; 4 — при тех же значениях, что и 3, но с модифицированной поправкой.

и др.

/, Гц

Рис. 3. Сопоставление теории с экспериментальными данными для зависимостей линейного коэффициента затухания от частоты возмущений.

Функции распределения пузырьков по размерам:

Nо(a) = а2 ехрЬад, Ка = —,

а5,3

Nо(ь) = ь 2ехр(-К,ь), Кь =-3.

ь5,3

Показано, что двухфракционность полидисперсной пузырьковой жидкости приводит к появлению двух максимумов линейного коэффициента затухания, что и наблюдается в эксперименте (рис. 3а, 3б, кривые 3, 4). Экспериментальные данные показывают, что уточнение формулы для акустических поправок w\а и wЛь из системы (1) путем замены степеней объемных содержаний

пузырьков а ао и а 2о вместо в = 1 на в = 1 приводит

3 6

к улучшению теоретических и опытных значений

коэффициента затухания (рис. 3, кривые 4). Слагаемые w 'Ла и м 'ЛЬ определяются из решения задачи об акустической разгрузке сферического пузырька в несущей жидкости [8].

В заключение следует отметить возможность развития метода акустической диагностики пузырьковых сред с использованием развитой теории в условиях неполных экспериментальных данных.

Работа выполнена при финансовом содействии Совета по грантам Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых и ведущих научных школ РФ (НШ-834.2012.1) по программе Президиума РАН № 23П при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ (№ 14.В37.21.0644).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Нигматулин Р.И. Динамика многофазных сред. М.: Наука, 1987. Ч. 1. 464 с.; Ч. 2. 359 с.

2. Накоряков В.Е., Покусаев Б.Г., Шрейбер И.Р. Волновая динамика газо- и парожидкостных сред. М.: Энергоатомиздат, 1990. 248 с.

3. Губайдуллин Д.А., Никифоров А.А. // ТВТ. 2010. Т. 48. №2. С. 188-192.

4. Губайдуллин Д.А., Никифоров А.А., Гафиятов Р.Н. // ТВТ. 2012. Т. 50. № 2. С. 269-273.

5. CommanderK.W., ProsperettiA. // J. Acoust. Soc. Amer. 1989. V. 85. № 2. P. 732.

6. Губайдуллин Д.А. Динамика двухфазных парогазо-капельных сред. Казань: Изд-во Казан. мат. о-ва, 1998. 153 с.

7. Silberman E. // J. Acoust. Soc. Amer. 1957. V. 29. № 6. P. 925-931.

8. Нигматулин Р.И., Шагапов В.Ш., Вахитова Н.К. // ДАН. 1989. Т. 304. № 5. С. 1077-1081.

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