Теплофизика высоких температур, 2023, T. 61, № 1, стр. 145-148

ВВЕДЕНИЕ

Технология, основанная на генерации нелинейных колебаний среды в резонаторах [1], охватывает широкий круг проблем в различных областях техники, связанных как с интенсификацией процессов переноса, сепарации и осаждения частиц [2], так и с повышением надежности и производительности различных объектов при акустическом воздействии [3]. Как известно, в акустических полях возникают силы, приводящие к направленному движению дисперсной фазы. Описание дрейфа и динамики дисперсных частиц в несущей среде приведено в работах [4, 5]. Последние результаты исследований динамики различных газовзвесей и отдельных частиц в волновых полях с учетом акустических течений в резонаторах разнообразных форм и размеров даны в [6]. Простым примером четвертьволнового резонатора является открытая труба [7–9]. В [10] рассмотрен такой резонатор, который позволяет под действием акустического излучения манипулировать частицами в среде. Осаждение полидисперсного и монодисперсного аэрозолей в волновом поле открытой трубы вблизи резонанса изучено в [11, 12]. Проблемы взаимодействия частиц в потоке и возможности их использования в прикладных задачах проанализированы в [13, 14]. Повышение эффективности рассмотренных процессов наблюдается с увеличением амплитуды колебаний [15]. В связи с этим представляются важными исследования резонаторов, в которых при росте амплитуды возбужденных колебаний с сохранением энергозатрат время осаждения аэрозоля уменьшается. Одним из таких резонаторов является труба, сечение которой изменяется в осевом направлении [16, 17]. Колебания газа и динамика аэрозоля в закрытой трубе со скачком сечения изучены в [18].

Целью данной работы является исследование колебаний газа и осаждения аэрозоля в открытой трубе с изменяющимся сечением при резонансной частоте возбуждения.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА

В экспериментах рассматривается открытая труба со скачком сечения, состоящая из двух частей (рис. 1) [19]. Широкая секция представляет собой цилиндр 6 высотой L₁ = 0.038 м и радиусом R₁ = 0.05 м, в котором по гармоническому закону совершает колебания плоский поршень 2 с частотой  f  и амплитудой смещения l. Цилиндр герметично соединен со стеклянной трубой 5 длиной L₀ = = 1.052 м и радиусом R₀ = 0.01825 м. Полное расстояние от поршня до открытого конца трубы составляет 1.09 м. Верхний конец трубы сообщается с окружающей средой. Эксперименты проводились в воздухе при нормальных условиях и температуре окружающей среды 25°С.

Колебания создаются электродинамическим виброгенератором 1 марки ES-1-150 (Dongling Vibration) с воздушным охлаждением и усилителем мощности марки SDA-1. Управление и контроль вибростендом осуществляются через специальное программное обеспечение на ноутбуке посредством пьезоэлектрического акселерометра марки АР2037-100 фирмы “Глобал Тест” (Россия) и контроллера VENZO 880 (DynaTronic Corporation). Давление измеряется с помощью датчика модели 8530С-15 (ENDEVCO), сигнал с которого через трехканальный мостовой усилитель напряжения 8 (модель 136, ENDEVCO) подается на цифровой осциллограф 7 (модели DSO 3062A, Agilent Technologies). Частоты и амплитуды колебаний поршня задаются с точностью до 10^–3 Гц и 10^–5 м соответственно, погрешность измерения размаха колебаний давления среды составляет 0.2%.

Для генерации аэрозоля используется жидкий диэтилгексилсебацинат. Аэрозоль с диаметром капель ~0.863 мкм [6] создается аэрозольным генератором 3 (марка ATM225 фирмы TOPAS). Время осаждения аэрозоля определяется с использованием оптической системы, состоящей из источника света 4, в качестве которого используется лазер SYD1230 с длиной волны 650 нм и мощностью 5 мВт, и цифрового люксметра 6 (марка АТТ-1505, Актаком). Свет проходит через аэрозоль перпендикулярно оси трубы и попадает в центр светочувствительного датчика люксметра. Полученные с погрешностью 4% показания датчика люксметра переводятся в значения концентрации капель аэрозоля [12].

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Рассмотрим результаты экспериментального исследования по вынужденным продольным колебаниям газа. Осциллограммы и зависимости амплитуды колебания давления газа р от амплитуды смещения поршня l показаны на рис. 2. Наблюдается увеличение давления с ростом амплитуды смещения поршня. Увеличение амплитуды в 6 раз приводит к увеличению давления в 5.4 раза при резонансной частоте. При фиксированных значениях амплитуды смещения поршня с приближением к резонансу давление газа также растет. При этом для малых значений амплитуды это изменение меньше, чем для больших. Максимальные значения давления достигаются при резонансной частоте f₁ = 64 Гц. Полученные экспериментальные данные аппроксимируются степенной зависимостью

где n при колебаниях газа в резонансе равен 0.82. Форма волны давления при всех исследуемых частотах и амплитудах сохраняет непрерывный, близкий к гармоническому вид (рис. 2б). В сравнении с однородной открытой трубой аналогичного радиуса при одинаковой амплитуде смещения поршня l = 0.5 мм [20] наличие скачка сечения в трубе приводит к увеличению амплитуды колебаний давления газа в 2.4 раза. Ввиду того что L₁$ \ll $ L₀ и l $ \ll $ L₀, резонансная частота вычислялась по приведенной длине трубы L и амплитуде смещения поршня m²lгде $\sigma {{R}_{0}}$ – поправка Рэлея (в отсутствие фланца $\sigma $ = 0.6133), ${{m}^{2}}{{L}_{1}}$ – эффективная высота цилиндра с $m = {{{{R}_{1}}} \mathord{\left/ {\vphantom {{{{R}_{1}}} {{{R}_{0}}}}} \right. \kern-0em} {{{R}_{0}}}}$ [19].

Следует отметить, что в случае одинакового расстояния от поршня до открытого конца для однородной трубы и трубы со скачком сечения у последней резонансная частота $f = {{c}_{0}}{\text{/}}4L$ ниже вследствие увеличения приведенной длины. При этом известно, что вибростенд имеет ограничение по максимальной амплитуде ускорения

где угловая частота $\omega \,\, = 2\pi f$ [21]. Следовательно, для конкретного значения максимальной амплитуды ускорения в экспериментах удается увеличить амплитуду смещения поршня l и эффективней использовать виброгенератор при сохранении продольного размера резонатора.

Оценивая резонансную частоту открытой трубы со скачком сечения по линейной теории, с учетом выражения (1) получаем $f_{1}^{*}$ = 63.4 Гц, что хорошо согласуется с экспериментальным значением.

В результате экспериментальных исследований также получены зависимости концентрации капель аэрозоля от времени при различных амплитудах смещения поршня при резонансной частоте f₁ = 64 Гц и в отсутствие колебаний. Начальная концентрация капель для всех случаев составляет N₀ = 3.4 × 10⁶ см^–3, что соответствует малым объемному α = 5.38 × 10^–5 и массовому m = 4.1 × 10^–3 содержаниям частиц аэрозоля в трубе [4]. Наблюдается немонотонное уменьшение концентрации капель (рис. 3), и данные хорошо аппроксимируются показательной функцией [2, 22]

где постоянные коэффициенты имеют следующие значения: B = 3.4, K = 0.03 при l = 0.5 мм.

В трубе при наличии колебаний наблюдается ускоренное осаждение аэрозоля, которое происходит более эффективно с увеличением амплитуды смещения поршня. При амплитуде l = 1.5 мм происходит наиболее резкое падение концентрации капель и процесс осаждения протекает в шесть раз быстрее, чем на амплитуде l = 0.5 мм, и в девять раз быстрее по сравнению со случаем l = 0.25 мм. Зависимость времени осаждения от амплитуды носит нелинейный характер и описывается полиномиальной функцией. Ускоренное осаждение объясняется тем, что при колебаниях при резонансе возникает акустическое течение в виде одного тороидального вихря, занимающего весь объем трубы, который вовлекает аэрозоль в движение и приводит к последующему осаждению на стенках. При этом часть аэрозоля выбрасывается в окружающую среду [11]. По сравнению с характерным временем естественного осаждения аэрозоля на максимальной исследуемой амплитуде смещения поршня (l = 1.5 мм) осаждение происходит в 80 раз быстрее. В однородной открытой трубе [20] время осаждения аэрозоля в 1.4 раза больше, чем в настоящих экспериментах при наличии скачка сечения при максимальной исследуемой амплитуде возбуждения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведены исследования колебаний газа и осаждения аэрозоля при резонансе в открытой трубе со скачком сечения в широком диапазоне амплитуд возбуждения. Показано, что наличие изменяющегося сечения позволяет получить более интенсивные колебания по сравнению с однородной трубой с сохранением непрерывной гармонической формы волны давления среды. Выявлено уменьшение концентрации капель аэрозоля в трубе со временем при всех исследуемых амплитудах колебаний в резонансном режиме. Уменьшение концентрации аэрозоля при резонансных колебаниях газа происходит в 9 (при l = 0.25 мм) и 80 раз (l = 1.5 мм) быстрее по сравнению с естественным осаждением.

Исследования вынужденных продольных колебаний газа в открытой трубе со скачком сечения выполнены за счет средств программы стратегического академического лидерства Казанского (Приволжского) федерального университета (“ПРИОРИТЕТ-2030”). Изучение осаждения аэрозоля на резонансной частоте возбуждения проведено в рамках госзадания ФИЦ КазНЦ РАН.