Физический механизм процесса распыления

Общие соображения

Обзор литературы показывает, что вначале было открыто и описано явление распыления жидкости высокочастотными ультразвуковыми колебаниями, а лишь затем, спустя приблизительно четверть века, установили, что воздействие низкочастотных ультразвуковых и даже низкочастотных звуковых колебаний может привести к аналогичному эффекту. Вначале различное качество аэрозоля и разная кинетика процессов заставляли предполагать, что механизм высокочастотного ультразвукового распыления существенно отличается от механизмов низкочастотного ультразвукового и звукового распылений. Результатом первого качественного исследования распыления различных жидкостей в ультразвуковом фонтане явилась предложенная Зольнером так называемая кавитационная гипотеза [2] распыления жидкости акустическими колебаниями. Согласно этой гипотезе, жидкость распыляется гидравлическими ударами, возникающими при захлопывании кавитационных пузырьков вблизи ее поверхности. Никакого более детального описания самого механизма каплеобразования в этой гипотезе не содержалось. Сторонниками навигационного механизма распыления следует также считать Штрейбла [3] и Кекк [34], однако сами они не приводят каких-либо существенных доводов в ее пользу. В дальнейшем мы будем называть кавитационной любую гипотезу, в соответствии с которой распыление связано с возникновением кавитации в области распыления. Другую, так называемую капиллярно-волновую гипотезу предложили Виза, Дирнагль и Эше [5] как результат исследования процесса распыления жидкости в фонтане. Согласно этой гипотезе, капли аэрозоля образуются из гребней стоячих капиллярных волн конечной амплитуды на поверхности распыляемой жидкости. Кроу-форд [9], впервые осуществивший распыление жидкости в слое, созданном на торцовой поверхности пакетного магнитострикционного преобразователя, полагал, что капли аэрозоля образуются в результате неравномерности толчков отдельных колеблющихся пластин пакета. Анализ экспериментальных результатов, связанных с исследованием аэрозоля, образующегося при акустическом распылении жидкости, привел ряд исследователей (и прежде всего Штамма, Польмана [21] и Ланга [17]) к заключению, что распыление жидкости в слое происходит в соответствии с капиллярно-волновой гипотезой. Оказалось возможным объяснить такие на первый взгляд несхожие между собой явления, как распыление жидкости в слое и в фонтане с позиций одной и той же капиллярно-волновой гипотезы. В пользу такой единой точки зрения на механизм акустического распыления жидкости можно привести следующие доводы.

нанесены экспериментальные точки, которые удовлетворительно ложатся на прямую, параллельную оси f. Этот график [35] построен на основании экспериментов, проведенных различными исследователями как с распылением жидкости в слое, так и с распылением ее в фонтане. Разброс экспериментальных точек в значительной степени обусловлен неодинаковостью условий, в которых проводился эксперимент. К этому следует

равная приблизительно 0,3, не зависит ни от частоты

заключен в пределах приблизительно от 0,3 до 1,7.

В соответствии с капиллярно-волновой гипотезой, образование капель аэрозоля генетически самым тесным образом связано с возникновением на поверхности капиллярных или капиллярно-гравитационных волн. Задача нахождения механизма параметрического возбуждения капиллярно-гравитационных волн и условий их возникновения впервые была решена Малюжинцом (см. следующий параграф). С позиций теории, предложенной в этой работе, был объяснен механизм действия старинного (эпохи династии Хань) китайского водоизвергающего газа Тайцзиту. Если массивные ручки таза растирать вручную, то с поверхности налитой в таз воды выбрызгиваются мелкие капли. Как показал Малюжинец, капли выбрызгиваются с гребней капиллярно-гравитационных волн конечной амплитуды. Эти волны возбуждаются вибрациями частоты в несколько сотен герц при растирании ручек вследствие падающего характера зависимости силы трения от скорости. Для объяснения аномально высокого поглощения звука в водно-воздушных резонаторах, возбуждаемых вибрациями частотой 10—30 гц Сорокин [13] совместно с Малюжинцом применил теорию образования капель из гребней капиллярно-гравитационных волн. Он рассмотрел возникновение волн на поверхности несжимаемой вязкой жидкости, заполняющей полупространство и совершающей вертикальные колебания по гармоническому закону I—A cos cot. Пороговое значение амплитуды возбуждающих колебаний Ап, необходимое для возникновения капиллярно-гравитационных волн на поверхности жидкости, определяется из выражения

— декремент затухания. Для чистой жидкости потери энергии из-за вязкости определяются декрементом затухания

т. е.

— член, не зависящий от а.

на поверхности жидкости приобрело вид, который обычно используется в расчетах:

— плотность жидкости. Впоследствии результаты исследований Сорокина и Эйзенменгера были без дальнейших доказательств перенесены и для объяснения физического механизма распыления жидкости в ультразвуковом фонтане [17, 20]. Предполагалось, что и в этом случае капли аэрозоля образуются из гребней стоячих капиллярных волн конечной амплитуды, возникающих на конической или цилиндрической поверхности фонтана. Кавитации отводилась роль сопутствующего и мешающего распылению эффекта. До настоящего времени общепринятой являлась капиллярно-волновая гипотеза распыления жидкости при подведении акустической энергии к зоне распыления через жидкость. В последние годы, в противовес активному участию кавитации в процессе распыления жидкости в фонтане [25, 26], Польман и Лирке [29] предложили новую гипотезу, являющуюся по их мнению компромиссом между кавитационной и капиллярно-волновой: капли аэрозоля образуются из гребней капиллярных волн конечной амплитуды на поверхности микроскопических полусферических выступов, образованных кавитационными пузырьками, находящимися вблизи поверхности струи фонтана. Внимательный анализ работы [29] показал, что в ней рассматривается поведение не навигационных, а резонансных парогазовых пузырьков, находящихся вблизи поверхности распыляемой жидкости. Исследование кинетики распыления жидкости в фонтане, проведенное Экнадиосянцем и Богуславским [35], показало, что аэрозоль действительно может создаваться также с помощью резонансных парогазовых пузырьков (см. рис. 22, е, верхний кадр), однако основная его масса образуется совсем иным способом.