Від чого залежить кавітація у воді
Кавітація — це явище утворення,
зростання та схлопування бульбашок газу в воді під впливом коливань тиску. Сила
(інтенсивність) кавітації залежить від кількох параметрів, таких як частота
ультразвукових хвиль, амплітуда коливань, гідростатичний (атмосферний) тиск, в’язкість
та наявність розчинених газів в воді.
Розглянемо
кожний параметр окремо.
1. Частота ультразвукових хвиль в
діапазоні 20 кГц – 100 кГц
На графіку показано залежність сили
кавітації від частоти в діапазоні 20 кГц - 100 кГц. При збільшенні частоти сила
окремої кавітаційної події (схлопування бульбашок) знижується, але збільшується
кількість подій за одиницю часу. Це створює баланс між локальною потужністю та
загальною інтенсивністю. Оптимальна частота кавітації залежить від конкретного
застосування: для руйнівних процесів краще підходять низькі частоти, а для
делікатних - високі.
Низькі частоти
(20 -30 кГц).
На низьких частотах кавітація має більш високу
інтенсивність (силу). Це пов'язано з тим, що на низьких частотах бульбашки, які
виникають у рідині, встигають рости до значних розмірів перед схлопуванням. При
цьому енергія, що виділяється в момент схлопування бульбашок, вища.Такі частоти
часто використовують де потрібна сильна ерозія або руйнування (наприклад, в
ультразвуковому очищенні або дробленні).
Середні частоти
(30-60 кГц)
У цьому
діапазоні сила кавітації дещо зменшується порівняно з низькими частотами,
оскільки бульбашки не встигають досягати таких великих розмірів перед
схлопуванням. Однак число бульбашок збільшується, що може покращувати
рівномірність кавітаційного впливу.Цей діапазон підходить для делікатних
операцій, таких як видалення забруднень або вплив на м'які матеріали.
Високі частоти
(60-100 кГц)
На високих частотах кавітація стає менш інтенсивною, оскільки бульбашки схлопуються швидше, не досягаючи великих розмірів. Однак кількість бульбашок продовжує збільшуватися, що робить кавітацію більш «м'якою» і рівномірною.Цей діапазон підходить для застосувань, де потрібен щадящий вплив, наприклад, у біотехнологіях або обробці тонких шарів.
На відео показано вплив кавітації на алюміієву фольгу на частотах 20 і 40 кГц
https://youtube.com/shorts/t_jaTk7XrmA
На графіку показано загальну теоретичну залежність сили кавітації від частоти в діапазоні 16-100 кГц. Видно, що сила кавітації досягає максимуму поблизу оптимальної частоти (приблизно 35 - 40 кГц), а потім починає знижуватися через зменшення ефективності кавітаційного процесу на вищих частотах.
2.
Амплітуда коливань.
За однієї і
тієї ж частоти збільшення амплітуди підвищує інтенсивність кавітації. Зі
збільшенням амплітуди хвилі, яка в свою чергу залежить від потужності та
конструкції випромінювача, енергія кавітаційного процесу зростає, що сприяє
утворенню більших бульбашок навіть при високій частоті.
- Гідростатичний тиск:
Збільшення тиску у воді зменшує розмір кавітаційних бульбашок, оскільки для їх утворення потрібно подолати цей більший тиск.
4.
В’язкість води.
В'язкість води має значний вплив на ріст кавітаційних бульбашок і визначає
її здатність чинити опір змінам швидкості або переміщенню молекул, що впливає
на динаміку кавітаційних процесів. У воді з високою в'язкістю молекули
рухаються повільніше, що призводить до зменшення швидкості зростання
кавітаційних бульбашок. В'язкість води в
свою чергу залежить від температури, і ця залежність є зворотною: із
підвищенням температури в'язкість води зменшується. Це пояснюється тим, що при
підвищенні температури збільшується енергія молекул, що знижує міжмолекулярні
сили взаємодії.Ось основні показники в'язкості води за різними температурами:
Температура
(°C) В’язкість (мПа*с)
0 1.79
10 1.31
20 1.00
30 0.80
40 0.65
50 0.55
60 0.47
80 0.36
100 0.28
Якщо побудувати
графік в'язкості води від температури, він матиме плавну спадну форму, яка
демонструє зменшення в'язкості зі збільшенням температури. Додавання ПАР (поверхнево
активних речовин) також сменшує в’язкість води і покращує
кавітацію.
5.
Наявність розчинених газів в
воді.
Розчинені гази у воді можуть суттєво впливати на кавітаційні процеси,
оскільки вони змінюють фізичні характеристики води, зокрема її здатність до
утворення та стабільності кавітаційних бульбашок.
Зниження тиску насичення:
розчинені гази (наприклад, кисень або азот)
можуть зменшити тиск насичення води. Це означає, що при певному тиску, де вода
зазвичай знаходиться в стабільному стані, знижена концентрація газів може
полегшити формування кавітаційних бульбашок. Кавітація виникає, коли локальний
тиск падає нижче тиску насичення води, і гази в воді починають
випаровуватись, утворюючи бульбашки.
Розчинені гази можуть впливати на розмір кавітаційних бульбашок.
Великі бульбашки можуть призводити до більш сильних ударів, коли вони
колапсують, що спричиняє більшу ерозію і більший рівень механічного пошкодження
поверхні.
Таким чином, наявність розчинених
газів у воді може значно змінювати як умови виникнення кавітації, так і її
інтенсивність, впливаючи на процеси, пов'язані з ерозією, шумом, вібрацією та
іншими ефектами, що виникають внаслідок кавітації.
Для зменшення впливу розчинених газів на кавітацію в воді проводять її дегазацію. Досягать цього за допомогою спеціального режиму роботи ультразукового генератора. Під дією ультразвукових імпульсних коливань бульбашки газів видаляться із води і кавітація покращується.