СПОСОБ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО ЗВУКООБРАЗОВАНИЯ Российский патент 2002 года по МПК B06B1/20 

Изобретение относится к области гидроакустики, а более конкретно к способам преобразования энергии турбулентной затопленной струи жидкости в энергию акустических волн, и предназначено для генерирования акустических сигналов в модельных водных жидкостях, имитирующих жидкие топлива двигателей ракетно-космических систем.

В настоящее время для генерации акустических волн в жидкостях используют различные способы, основанные на преобразовании энергии турбулентных затопленных струй жидкости в энергию акустических волн. Одним из наиболее широко применяемых на практике является способ генерации тонального звука (см. книгу Д. А. Гершгала и В.М. Фридмана "Ультразвуковая технологическая аппаратура", М., "Энергия", 1976 г., издание третье, стр.124 - 128), основанный на взаимодействии потока жидкости с резонансной пластиной, закрепленной определенным образом. При натекании на пластину потока жидкости в ней возбуждаются изгибные колебания, частота которых зависит от ряда геометрических и физико-механических параметров. Недостатками известного способа являются: частые нарушения механической целостности резонансных пластин из-за усталостных напряжений, затруднения при генерировании акустических колебаний в вязких средах, сравнительно низкая (1,5 - 2 Вт/см²) интенсивность излучения.

Указанных недостатков в значительной мере лишен другой наиболее близкий аналог предлагаемого способа - способ гидродинамического звукообразования (см. статью А.Ф. Назаренко "Об одном механизме гидродинамического звукообразования". Акустический журнал, т. XXIV, вып.4, "Наука", М., 1978. стр.573 - 576). Этот способ включает увеличение скорости струи жидкости до критической и ее последующее торможение с образованием замкнутой кавитационной области. В дальнейшем кавитационная область вследствие повышения в ней давления "разрывается" и происходящий процесс сопровождается генерацией акустического сигнала в окружающую гидросферу. Недостатком известного способа является низкая интенсивность излучения.

Задача предлагаемого изобретения - повышение интенсивности излучения.

Поставленная задача достигается тем, что в известном способе гидродинамического звукообразования, включающем увеличение скорости струи жидкости до критической, и ее последующее торможение с образованием замкнутой кавитационной области, в струе воды перед увеличением ее скорости создают избыточную концентрацию ионов водорода или ионов гидроксильной группы, вводят в струю водный раствор поверхностно-активного вещества амфолитного типа, распределяя его равномерно по площади поперечного сечения струи, перед введением упомянутого раствора температуру жидкости в струе повышают до величины большей температуры точки Крафта для данного типа поверхностно-активного вещества, не меньшей температуры точки кипения жидкости в струе, а концентрацию поверхностно-активного вещества в струе обеспечивают равной или большей критической концентрации мицеллообразования, но меньшей концентрации коагуляционной гельной структуры.

На фиг. 1 схематично показано устройство для реализации предлагаемого способа; на фиг.2 приведен качественный график зависимости процесса мицеллообразования от температуры жидкости; на фиг.3 приведен качественный график зависимости величины поверхностного натяжения жидкости от концентрации растворенного в ней поверхностно-активного вещества.

Предлагаемый способ гидродинамического звукообразования осуществляется следующим образом (см. фиг.1). Через штуцер 1 в полость корпуса 2 подают под избыточным давлением воду, в которой предварительно создают избыточную концентрацию ионов водорода или ионов гидроксильной группы ОН. Избыточную концентрацию ионов водорода создают путем растворения в воде кислоты, а избыточную концентрацию ионов ОН - растворением щелочи. С помощью нагревателя 3 повышают температуру раствора, протекающего в корпусе 2, до величины большей температуры точки Крафта для используемого конкретного типа поверхностно-активного вещества, но меньшей температуры точки кипения жидкости в струе. После прохождения через зону нагревателя 3 раствор поступает в распределитель 4, связанный магистралью 5 через дозатор расхода 6 с емкостью 7 водного раствора поверхностно-активного вещества амфолитного типа. Емкость 7 снабжена вытеснителем 8 водного раствора поверхностно-активного вещества. Распределитель 4 представляет собой устройство капиллярного типа, гидравлическое сопротивление которого проходящей жидкости распределено равномерно по площади поперечного сечения корпуса 2. Выдавливаемый вытеснителем 8 из емкости 7 раствор поверхностно-активного вещества дозируют с помощью дозатора расхода 6 и затем подают через магистраль 5 в распределитель 4. Благодаря равномерно распределенному гидравлическому сопротивлению распределителя 4 раствор поверхностно-активного вещества поступает равномерно по площади поперечного сечения струи воды с избыточным содержанием ионов Н и ОН. При этом основным назначением дозатора расхода 6 является обеспечение вполне определенной величины концентрации раствора поверхностно-активного вещества в протекающей через корпус 2 струе жидкости. Прошедшую через распределитель 4 струю жидкости с введенным в нее раствором поверхностно-активного вещества разгоняют до критической скорости в конусно-цилиндрическом сопле 9 и затем тормозят отражателем 10 с профилированной лункой 11. Периодические пульсации, образующиеся при торможении замкнутой кавитационной области, вызывают генерацию в окружающей гидросфере акустических сигналов определенной тональности.

Поставленная задача достигается за счет следующего. Так как сила поверхностного натяжения на границе раздела жидкость - газ всегда действует однозначно, т.е. всегда стремится сжать находящиеся в рабочей жидкости кавитационные каверны, то вследствие этого развитие кавитационного процесса тормозится именно силой поверхностного натяжения. Введение в жидкость водного раствора поверхностно-активного вещества существенно понижает поверхностное натяжение на границе кавитационных каверн и тем самым стимулирует развитие в жидкости кавитационного процесса, непосредственно влияя на достижение поставленной цели. Однако не все известные типы поверхностно-активных веществ могут обеспечить стимулированное развитие кавитационного процесса, и это объясняется следующим. Водная среда может быть на практике нейтральной, кислой или щелочной и, более того, при длительном процессе гидродинамического звукообразования изменять свой тип, т.е. из кислой переходить в щелочную или нейтральную и наоборот. Для удобства дальнейшего изложения введем показатель, характеризующий кислотность, щелочность и нейтральность водной среды
рН=-lg [Н+],
где рН - водородный показатель,
Н+ - ион водорода.

При рН 7 - среда нейтральная, рН<7 - среда кислая, рН>7 - среда щелочная.

В условиях переменного значения рН необходимо изменять всякий раз и тип поверхностно-активного вещества. Поясним сказанное. По химической природе все поверхностно-активные вещества делятся на анионные, катионные, ионогенные и амфолитные. Анионные поверхностно-активные вещества диссоциируют в воде, образуя анион с крупным углеводородным радикалом - носителем поверхностной активности, однако поверхностно-активные вещества этого типа обладают поверхностной активностью только в щелочной водной среде; в кислой же водной среде поверхностная активность этого типа веществ весьма мала. Катионные поверхностно-активные вещества диссоциируют в воде с образованием органического катиона - носителя поверхностной активности, однако обеспечивают понижение поверхностного натяжения на границе кавитационной каверны только в кислой водной среде, т.е. при рН<7.

Неионогенные поверхности - активные вещества растворимы как в кислой, так и в щелочных средах, однако этот тип веществ не диссоциируют в водных растворах.

Амфолитные поверхностно-активные вещества проявляют свойства как катионных (в кислой среде), так и анионных (в щелочной среде). От неионогенных их выгодно отличает то, что они легко диссоциируют в водной среде. Таким образом, из всех типов поверхностно-активных веществ для достижения поставленной цели пригодны только вещества амфолитного типа. Для проявления двойных свойств амфолитных поверхностно-активных веществ в струе воды создают избыточную концентрацию ионов водорода Н+ или ионов гидроксильной группы ОН. В первом случае рН<7 и амфолитные вещества проявляют свои катионные свойства. Во втором случае рН>7 и соответственно проявляются анионные свойства амфолитных поверхностно-активных веществ. В обоих случаях достигается понижение поверхностного натяжения на границах кавитационных каверн, т. е. достигается стимулирование кавитационного процесса и соответственно повышение интенсивности излучения.

Образующаяся дисперсная система вода - водный раствор поверхностно-активного вещества должна быть устойчива или, используя терминологию коллоидной химии, система должна быть лиофильна. Последнее условие вызвано тем, что дальнейшее увеличение скорости струи жидкости приводит к разрушению сложившейся системы вода - водный раствор поверхностно-активного вещества вследствие турбулентного перемешивания жидкости при ее движении в сопле. Для получения стойкой к турбулентному перемешиванию лиофильной (мицеллярной) системы необходимо выполнение двух условий:
температура жидкости (вода+водный раствор поверхностно-активного вещества) должна быть выше температуры точки Крафта, но ниже температуры точки кипения жидкости в струе;
концентрация поверхностно-активного вещества амфолитного типа в струе должна быть равной или больше критической концентрации мицеллообразования, но меньшей концентрации коагуляционной гельной структуры.

Рассмотрим вышеназванные условия. Образование мицеллярных устойчивых дисперсных систем в водных растворах может происходить только выше некоторой температуры так как (см. фиг.2), называемой точкой Крафта.

Ниже температуры точки Крафта растворимость поверхностно-активных веществ весьма мала и мицеллообразование не происходит. Верхним диапазоном температуры жидкости в струе является температура ее кипения, т.к. при температуре кипения нарушается вся структура дисперсной системы из-за выкипания водной фазы рабочей жидкости. Кроме того, образование мицеллярных устойчивых систем возможно только при некоторой вполне конкретной величине концентрации поверхностно-активного вещества в растворе, называемой критической концентрацией мицеллообразования Ск (см. фиг.3). Ниже критической концентрации Ск мицеллообразование в растворе не происходит. Количество поверхностно-активного вещества в мицеллярной форме на несколько порядков превышает его количество в обычном молекулярном растворе. При этом для водных мицеллярных растворов характерно сочетание высокой (см. фиг.3) поверхностной активности (на несколько порядков превышающей активность в обычных молекулярных растворах) и мюфельности, т.е. стойкости к внешним гидродинамическим воздействиям. Резюмируя, можно сказать, что именно мицеллярная форма раствора в качестве рабочей жидкости наиболее пригодна в гидродинамическом процессе звукообразования вследствие высокой поверхностной активности, стимулирующей кавитационный процесс и стойкость к турбулентному перемешиванию. Верхним допустимым пределом концентрации поверхностно-активного вещества в жидкости струи является концентрация коагуляционной гельной структуры. Превышение последней в жидкости уменьшает подвижность мицелл, происходит их сцепление и при этом образуется коагуляционная гельная структура с характерными для таких структур механическими свойствами: пластичностью, прочностью и тиксотропией. При этом резко снижается текучесть рабочей жидкости и последняя становится практически непригодной для гидродинамической генерации акустических сигналов. Для получения мицеллярной формы рабочей жидкости необходимым условием является также равномерное распределение водного раствора поверхностно-активного вещества по площади поперечного сечения струи, что обусловлено необходимостью обеспечения лиофильности дисперсной системы во всем объеме рабочей жидкости, находящейся в сопле. Действительно, возникновение мицеллярных образований в локальных областях струи снижает ее стойкость по отношению к турбулентному перемешиванию и приводит к снижению эффективности воздействия на развитие кавитационного процесса, а следовательно, снижает интенсивность излучения. Кроме того, неравномерное распределение раствора поверхностно-активного вещества в струе создает стохастическое распределение поверхностного натяжения на границах струи и приводит к срыву процесса генерации тонального акустического сигнала.

Резюмируя, перечислим последовательность технологических процессов, составляющих предлагаемый способ:
в струе воды создают избыточную концентрацию ионов водорода Н+ или ионов гидроксильной группы ОН;
температуру жидкости в струе повышают до величины большей температуры точки Крафта, но меньшей температуры точки кипения (для данного раствора вода + избыток ионов);
вводят в струю водный раствор поверхностно-активного вещества амфолитного типа, распределяя его равномерно по площади поперечного сечения струи;
концентрацию поверхностно-активного вещества в струе обеспечивают равной или большей критической концентрации мицеллообразования, но меньшей концентрации коагуляционной гельной структуры;
увеличивают скорость струи жидкости до критической;
осуществляют торможение струи с образованием замкнутой кавитационной области (между лункой 11 отражателя 10 и плоскостью выходного отверстия сопла 9).

Пример конкретного технологического процесса
В гидродинамический излучатель, схематично показанный на фиг.1, под избыточным давлением 690 кПа подавали слабый водный раствор серной кислоты Н₂SO₄. При этом водородный показатель среды, определенный типовым рН-метром со стеклянным электродом, был равен 4, т.е. рН 4. В качестве поверхностно-активного вещества амфолитного типа использовали цетиламиноуксусную кислоту С₁₆Н₃₃NН - СН₂СООН. Температура точки Крафта последней составляет 319 К, что меньше температуры кипения водного раствора серной кислоты данной концентрации; критическая концентрация мицеллообразования цетиламиноуксусной кислоты составляет 0,07 кмоль/м³, а концентрация коагуляционной гельной структуры составляет 0,127 кмоль/м³. В экспериментах концентрацию цетиламиноуксусной кислоты в водном растворе H₂SO₄ поддерживали постоянной и равной 0,09 кмоль/м³. Постоянство концентрации обеспечивали постоянным усилием поджатия водного раствора C₁₆H₃₃NH - CH₂COOH в емкости. Полученный раствор путем создания постоянного избыточного давления в полости излучателя разгоняли в конусно-цилиндрическом сопле до скорости истечения 32 м/с, запись и анализ акустических сигналов осуществляли на аппаратуре фирмы "Брюль и Къер". Частота генерируемого сигнала составила 4,3 Вт/см², что значительно превышает ранее полученные интенсивности (1,5-2,6 Вт/см²) при генерации излучения известным способом.

В настоящее время разработан технорабочий проект установки и разработана программа испытаний, основанная на совокупности технологических процессов.

Использование: для генерирования акустических сигналов в модельных водных жидкостях, имитирующих жидкие топлива двигателей ракетно-космических систем. Сущность изобретения: увеличивают скорость струи жидкости до критической с последующим ее торможением с образованием замкнутой кавитационной области. В струе воды перед увеличением ее скорости создают избыточную концентрацию ионов водорода или ионов гидроксильной группы. Вводят в струю водный раствор поверхностно-активного вещества амфолитного типа, распределяя его равномерно по площади поперечного сечения струи. Перед введением упомянутого раствора температуру жидкости в струе повышают до величины большей температуры точки Крафта для данного типа поверхностно-активного вещества, не меньшей температуры точки кипения жидкости в струе. Концентрацию поверхностно-активного вещества в струе обеспечивают равной или большей критической концентрации мицеллообразования, но меньшей концентрации коагуляционной гельной структуры. Технический результат - повышение интенсивности излучения. 3 ил.

Способ гидродинамического звукообразования, включающий увеличение скорости струи воды до критической и ее последующее торможение с образованием замкнутой кавитационной области, отличающийся тем, что в струе воды перед увеличением ее скорости создают избыточную концентрацию ионов водорода или ионов гидроксильной группы, вводят в струю водный раствор поверхностно-активного вещества амфолитного типа, распределяя его равномерно по площади поперечного сечения струи, перед введением упомянутого раствора температуру воды в струе повышают до величины большей температуры точки Крафта для данного типа поверхностно-активного вещества, но меньшей температуры точки кипения воды в струе, а концентрацию поверхностно-активного вещества в струе обеспечивают равной или большей критической концентрации мицеллообразования, но меньшей концентрации коагуляционной гельной структуры.