Содержание свободного газа в жидкостях и методы его измерении

Общее газосодержание жидкости есть сумма растворенного и свободного газа, существующего в виде газовых пузырьков.

Содержание свободного газа в жидкости обычно составляет малую часть (10^-10 – 10^-2) от общего газосодержания, однако даже столь малое количество свободного газа может заметно влиять на ход различных технологических процессов, связанных с излучением в жидкость мощного ультразвука и последующим возникновением кавитационных явлений. Известно, что кавитационная прочность жидкости едва ли не в первую очередь определяется содержанием в ней газовых пузырьков. Воздействуя тем или иным способом на количество и размеры пузырьков, можно не только существенно изменять кавитационные свойства жидкости, но и влиять на характер и интенсивность различных процессов, сопутствующих кавитации. Так, уменьшение содержания в жидкости свободного газа позволяет значительно повысить эффективность кавитационной эрозии. Известно, что при замыкании кавитационных каверн образуются ударные волны, вызывающие разрушение материала; скорость смыкания стенок каверн, а следовательно, и давления, образуемые при сжатии, зависят от количества газа внутри каверны. Таким образом, вопрос об интенсивности кавитационного разрушения материала связан с характеристиками ядер, из которых образуются кавитационные каверны, и прежде всего — с количеством газа в них. Повышая гидростатическое давление в жидкости, удается уменьшить содержание в ней свободного газа и увеличить интенсивность ударных волн на несколько порядков по сравнению с обычными условиями (см. например [1, 2], а также часть Ш настоящей книги и часть V второй книги).

Технические применения, для которых имеет существенное значение содержание в жидкостях свободного газа, не ограничиваются областью ультразвуковой техники и технологии. Здесь могут быть упомянуты исследования кильватерных струй, состоящих из газовых пузырьков различных-размеров. Наконец, содержание свободного газа в жидкостях и методы его измерения представляют интерес и при определении кавитационных качеств модельных гидромашин (гидротурбин, гребных винтов, насосов и т. д.). Экспериментально установлено [3, 4], что данные модельных кавитационных испытаний обтекаемых тел различных типов существенно зависят от содержания свободного воздуха в воде, заполняющей кавитационные стенды и трубы. Введение постоянного контроля за содержанием в жидкости свободного воздуха позволило бы значительно уточнить методику определения кавитационных качеств гидромашин.

Существующие способы измерения газосодержания жидкости (методы Винклера, Ван-Слайка и т. д. [5]) позволяют определить лишь суммарное количество газа, находящегося в жидкости как в свободном, так и в растворенном виде. Раздельное измерение свободной и растворенной газовых фаз с помощью этих методов принципиально невозможно.

Наиболее перспективными методами измерения содержания свободного газа в жидкости представляются акустические, основанные на свойстве газовых пузырьков влиять на затухание и скорость звука, распространяющегося в среде жидкость—газовые пузырьки.

В настоящей части рассмотрены акустические методы измерения в жидкости свободного газа, описана измерительная аппаратура, приводятся результаты экспериментальных исследований содержания в воде свободной газовой фазы. Основное внимание уделено прикладным аспектам, теоретические представления обсуждаются кратко, но даются ссылки на литературу, содержащую более подробное исследование предмета.