Влияние твердых примесей на стабилизацию газовых пузырьков в жидкостях

Механизм длительного существования в жидкости кавитационных зародышей должен объяснять по крайней мере два обстоятельства: 1) возможность существования зародышей, несмотря на действие сил поверхностного натяжения; 2) причины, нейтрализующие положительную плавучесть пузырька.

Для объяснения факторов, препятствующих растворению пузырька под действием сил поверхностного натяжения, предложено несколько физических моделей кавитационных зародышей и гипотез, обосновывающих возможность их постоянного существования в жидкости [31, 42, 46]. Однако предложенные модели кавитационных зародышей не учитывают еще одного фактора, способствующего исчезновению из жидкости кавитационных зародышей, — плавучести пузырька, за счет которой пузырьки должны всплывать на поверхность. Сравнительно недавно Тернер [47] установил, что поглощение в открытом баке с водой заметно превышает поглощение в том же баке с закрытой крышкой, что говорит о возможности стабилизации пузырьков на частицах пыли, попавших в воду. По мнению Тернера, твердые частицы, осевшие на поверхности пузырька, нейтрализуют его плавучесть.

Действительно, изложенные в предыдущем параграфе результаты исследований функции распределения пузырьков в водопроводной воде, подвергнутой длительному отстаиванию, свидетельствуют о том, что пузырьки существуют в жидкости значительно дольше, чем это предсказывает формула Стокса для скорости всплытия в жидкости тела сферической формы.

Подтвердим сказанное небольшим расчетом. Применительно к нашему случаю формула Стокса может быть переписана в виде

где t — время (в сек) подъема пузырька радиуса R₀ (в см) в воде на расстояние d (в см).

Из формулы (48) легко найти максимальный размер пузырьков, которые еще могут остаться в жидкости по прошествии времени t:

для различного времени отстаивания жидкости приведены ниже, расстояние d принято равным 28 см (диаметру сферической колбы, в которой производились измерения поглощения, описанные в предыдущем параграфе):

Таким образом, пузырьки с радиусами R > 15 мк должны по прошествии нескольких минут всплыть на поверхность и уйти из объема жидкости. В то же время из рис. 22 видно, что пузырьки с радиусами 20—30 мк длительно существуют не только в водопроводной воде, но и в отстоявшейся жидкости.

Для проверки предположения о том, что положительная плавучесть газовых пузырьков может частично компенсироваться наличием твердых примесей на поверхности или внутри пузырька, мы провели серию экспериментов, сущность которых сводилась к следующему.

Если в нормально насыщенных воздухом водопроводной и дистиллированной воде искусственно создать одинаковые условия для образования дополнительных газовых пузырьков, то в водопроводной воде, содержащей заведомо большее количество твердых примесей, вероятность торможения пузырька твердой частицей окажется более высокой, чем в дистиллированной. Если указанные рассуждения справедливы, то измерения поглощения звука в дистиллированной и водопроводной воде после образования в них дополнительных газовых пузырьков должны дать существенно различные результаты.

Дополнительные газовые пузырьки создавались в жидкости с помощью вертушки, установленной на оси электромотора. Число оборотов и время включения мотора были постоянными, поэтому условия для образования в водопроводной и дистиллированной воде дополнительных газовых пузырьков (аэрации воды) можно было считать приблизительно одинаковыми.

Измерения поглощения, вносимого газовыми пузырьками, проводились с помощью описанной ранее реверберационной установки.

Результаты одного из типичных экспериментов представлены на рис. 23, где по оси ординат отложены величины коэффициента поглощения Ке, а по оси абсцисс — радиусы резонансных пузырьков; параметр — время отстаивания воды после выключения вертушки. За нулевое поглощение принято поглощение через сутки после аэрации; его величина в пределах точности эксперимента совпадает с поглощением до аэрации. Не приводя расчета распределения пузырьков по числу и размерам, который может быть выполнен по изложенной ранее методике, укажем на следующие интересные обстоятельства. Из рис. 23 следует, что в результате одинакового механического перемешивания жидкостей с различной концентрацией твердых примесей количество газовых пузырьков, образовавшихся в водопроводной воде, а также число пузырьков при каждом постоянном времени ее отстаивания значительно превышает содержание пузырьков в дистиллированной воде.

Полученные результаты подтверждают предположение о том, что содержание свободного воздуха в воде зависит от концентрации твердых примесей. При этом влияние твердых несмачиваемых примесей на навигационную прочность воды, по-видимому, носит двоякий характер: с одной стороны, примеси способствуют длительному существованию в жидкости газовых пузырьков, с другой, — сами по себе являются слабыми точками в жидкости. Механизм объединения газовых пузырьков с твердыми частицами рассмотрен в работах [47] и [48], но требует еще дополнительного изучения.

* * *

Количества работ, в которых проводились измерения содержания свободного газа в жидкостях, еще недостаточно, чтобы можно было систематизировать полученные данные и ввести обоснованные оценки величин, с которыми исследователь может встретиться на практике. Рассмотренные в гл. 3 работы, которыми, вообще говоря, исчерпываются все исследования, выполненные в данном направлении, позволяют приблизительно оценить возможные концентрации свободного газа лишь в некоторых случаях, которые мы свели в табл. 3.

Каких-либо данных о распределении пузырьков по числу и размерам, кроме приведенных нами в § 5 гл. 8, в литературе не имеется.

Содержание свободного газа в жидкостях определяется целым рядом факторов, и в зависимости от них может меняться весьма значительно — в пределах нескольких порядков. Таким образом, какие-либо гипотетические оценки содержания свободного газа в каждом конкретном случае становятся невозможными и данные такого рода могут быть получены лишь экспериментальным путем. Кроме сводки полученных уже результатов, данная работа имеет целью привлечь внимание к тем широким возможностям экспериментального исследования содержания свободного газа, которые заложены в акустических методах.