Кавитация
Вопрос:
Здравствуйте!
Сколько % общего объема жидкости подвергается деструкции под воздействием кавитации?
Необходимо уточнить, какой тип кавитации имелся в виду – акустическая или гидродинамическая?
Акустическая кавитация, в отличие от гидродинамической (обусловленной понижением давления из-за большой скорости в потоке движущейся жидкости), возникает при прохождении звуковых волн высокой интенсивности и амплитуды, превосходящей пороговую величину. Для воды и водных растворов порог кавитации возрастает по мере снижения содержания газа в жидкости, при увеличении гидростатического давления, после “сжатия” газа в жидкости (~108 Па) гидростатическим давлением, или при увеличении частоты звука. При импульсном ультразвуковом воздействии порог кавитации зависит от длительности импульса и достигает максимума при 0,06–0,6 мкс.
Количественно возникновение кавитации и степень ее развития характеризуют числом кавитации:
C = (P0–Ps)/Pa
где Ps – давление насыщенного пара;
Pa – амплитуда звукового давления;
P0 – гидростатическое давление, т.е. амплитудой понижения давления в жидкости.
Накопление газа в пузырьке, обусловливающее рост среднего размера пузырька в поле переменного давления, называется выпрямленной, или направленной, диффузией. Диффузионный механизм обеспечивает сравнительно медленный рост пузырьков, и при высокой частоте ультразвука они совершают значительное число пульсаций, прежде чем достигнут резонансных размеров. Амплитуда пульсации пузырька с резонансными размерами (для данной частоты ультразвука) максимальна. Повышение интенсивности ультразвука приводит к нестабильной кавитации: пузырьки довольно быстро (за несколько периодов) достигают резонансного размера, стремительно расширяются, после чего резко захлопываются, создавая кратковременные (длительностью ~10-6 с) мощные импульсы давления (до 108 Па и выше) и ударные волны, способные разрушить даже прочные материалы. Такое разрушение имеет место на поверхности мощных акустических излучателей, работающих в жидкости.
Захлопывание пузырьков сопровождается значительным ударным, а также химическим и электрическим, воздействием и слабым радиоактивным излучением. При захлопывании содержащаяся в пузырьке парогазовая смесь, адиабатически (не успевая обменяться теплом с окружающей средой) сжимается до давления 105 Па (300 атм) и нагревается до температур порядка нескольких тысяч градусов (8000–12000 К). Весь процесс увеличения и захлопывания пузырьков происходит в течение нескольких миллисекунд. Давление внутри пузырьков и в воде достигает сотен МПа, а температура нескольких тысяч градусов, что вызывает распад молекул воды и образование радикалов с высокой химической активностью. Известно, что при 2000 К около 0,01 % молекул H2O внутри пузырька диссоциируют на водородные (Н*) и гидроксильные (ОН*) свободные радикалы (кавитационный термолиз). Эти радикалы могут рекомбинировать с образованием электронно-возбужденных состояний молекул H2O*. При переходе молекул H2O* из электронно-возбужденного состояния в основное в объёме воды высвечивается квант света – происходит сонолюминесценция – явление возникновения вспышки света при схлопывании кавитационных пузырьков, сформированных в жидкости мощной ультразвуковой волной. Кроме того, резкое (внезапное) исчезновение кавитационных пузырьков приводит к образованию гидравлических ударов, и как следствие к созданию волны сжатия и растяжения в жидкости с ультразвуковой частотой.
Свободные Н* и ОН* радикалы могут диффундировать в раствор и вступать в реакции с растворителем или растворенными веществами, инициируя каскадные радикальные химические процессы. За счет гидродинамического кавитацтонного термолиза воды на Н* и ОН* происходит увеличение концентрации О2. Также термолиз воды приводит к синтезу перекиси водорода (Н2О2), что способствует понижению параметра рН.
Кавитация в жидкости сопровождается различными химическими реакциями; при этом происходит ускорение одних химических реакций и инициирование других. Эти реакции происходят в чрезвычайно короткое время.
Кроме этого, вследствие концентрирования энергии в очень малых объемах ультразвук может вызывать такие явления, как разрыв химических связей макромолекул, инициирование химических реакций и свечение.
Каких либо точных расчетов, позволяющих точно рассчитать степень деструкции жидкости, вызванное звуковой кавитацией в настоящее время не существует. Имеются непроверенные данные (насколько они точны, я не знаю), что внутри самого кавитационного пузырька, где развивается высокое давление, около 0,01 % молекул H2O диссоциируют на водородные и гидроксильные свободные радикалы, которые затем рекомбинируются с образованием электронно-возбужденных состояний молекул H2O*. Эти реакции носят каскадный характер.
О.В. Мосин, к.х.н., доц.