圆柱形反应器声场中的空化气泡实验-论文.pdf

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1、第24卷第1期洛阳理工学院学报(自然科学版)VO1．24NO．12014年3月JournalofLuoyangInstituteofScienceandTechnology(NaturaIScienceEdition)Mar．2014圆柱形反应器声场中的空化气泡实验胡淑芳，林晓园(福州海峡职业技术学院国脉信息学院，福建福州350014)摘要：基于圆柱形反应器声场中特定位置处的空化噪声谱图和空化泡振动理论，提出了一种计算声场中空化泡大小及数量分布的方法。关键词：圆柱形反应器；超声空化；空化气泡DOI：10．3969／．i．issn

2、．1674-5043．2014．01．018中图分类号：0426．1文献标志码：A文章编号：1674．5043(2014)O1．00075-04空化是液体中一种复杂的物理现象。在液体中由于涡流或超声的物理作用，液体的某一区域会形成局部的暂时负压区，于是在液体中产生空穴或气泡。这些充有蒸气或空气的气泡处于非稳定状态，表现为泡核的振荡、生长、收缩及崩溃等一系列动力学过程，泡核在崩溃瞬间，会产生激波，因而在局部微小区域会有很大压强，这就是超声空化【1l。超声空化广泛应用于清洗、加工及化学处理等方面。在超声处理中(如超声清洗)，其应用效

3、果与空化强度有直接关系。而空化强度不但和空化泡闭合时所产生的压力有关，而且还和单位体积内空化泡的大小及数量有关。因此，超声化学反应器内空化泡大小和数量的分布情况一直是超声波应用的热门研究课题。文中使用蒸馏水作为声场传播媒质，基于空化泡振动理论和水听器测得的空化噪声信号来计算圆柱形反应器内特定位置处空化泡的大小和数量分布，计算结果与理论分析基本吻合，说明这种计算空化泡大小及数量分布的方法是可行的。1空化泡振动理论Il1．1空化泡的线性振动目前，在输出幅度较小且呈正弦交替激发力的作用下，空化泡的振动被认为是线性的。于是Prosper

4、itti和Plesset给出了在气液系统中空化泡振动的频率公式：，，、237P(oo～【27E，0J(1)其中，为空化泡内气体含量的比热容，P为空化泡受到的总压力值，为液体密度，R为空化泡原始半径。由式(1)可得空化泡半径公式：[等j(2)式(2)表明：空化泡半径与其振动频率存在一一对应关系。1．2空化泡的非线性振动设为水听器到空化泡中心的距离，则单个空化泡振动的瞬态辐射声压为：=f[，]4~rdt2空化泡的体积为V：f4／3)~zR。，对时间，求二阶导得：收稿日期：2013一I1-27作者简介：胡淑芳(1984-)，女，内蒙古

5、乌兰察布人，硕士，助教，主要从事功率超声方面的研究．76洛阳理工学院学报(自然科学版)第24卷坚dtldt／【dt川l空化泡半径为：R=R0+(5)其中：为空化泡的振动位移，表述为：=ocos(cot+一兀)(6)由式(5)和式r6)可知：坚dt—dt，dt=d，(～7)其中：訾一osin(cot+~-7t)(8)一。so)t+~z-rt)(9)将式(8)和式(9)代入式f中，可得：+0c0s(ot+a-rt))(一(册⋯))(10)(R。+~bOCOScot+a一冗))-09~boCOS09t+O~-兀))】将式(10)代入式

6、(3)中可得单个半径为Ro，距离水听器为的空化泡振动的辐射压力为：2l+等cos(册⋯)cot+a-re))+／＼2(11)l+cos(cot+a-Tt)j_co。s(cot+c~-rt))]<<由于空化泡振动位移远小于空化泡原始半径，即R，则式(11)中的作用可忽略不计。因o此，式(11)可写为：P2f旦1R。(12)将式(2)中的代入式(12)可得单个空化泡的辐射压力：P：=————二_(L1l3J)nr1．3N个空化泡同时振动通-g,情况下不只一个空化泡发生振动。在实验中，空化泡的个数依赖于水听器在反应器内的测量位置及溶解

7、在液体中的气泡数量。因此，有必要对～个同时振动的空化泡进行统计并求出总的辐射声压值。N个同频率振动空化泡的总辐射声压值：p．Np．：r14)第1期胡淑芳等：圆柱形反应器声场中的空化气泡实验由式(14)可以看出：总的辐射声压值与空化泡个数的平方根成正比。在本实验中，利用水听器对所有频率范围内(0

8、上述方法就可计算出反应器内特定位置处空化泡的半径及数量分布，进而为判断测量位置处的空化强弱提供依据。2实验方法实验采用蒸馏水为声波传播介质，水高12．5cm。选取内径为lOcm圆柱形反应器，底部粘有工作频率为1o=32kHz的压电换能器，其辐射面直径5cm。水听