Физическая природа акустической кавитации
Акустическая кавитация представляет собой образование, рост и последующий коллапс пузырьков газа или пара в жидкости под действием звукового поля. Это явление возникает, когда переменное акустическое давление достигает амплитуд, достаточных для преодоления когезионных сил в жидкости. В отрицательной полуволне акустического цикла давление снижается, способствуя формированию кавитационных пузырьков, а в положительной полуволне происходит их сжатие.
Кавитация может быть инициирована существующими микропузырьками, микротрещинами на поверхности твердого тела или неоднородностями жидкости, играющими роль «зародышей» кавитации. Важнейшим параметром является акустическое давление: когда оно превышает определённый кавитационный порог, начинается процесс интенсивного пузырькообразования.
Стадии развития кавитационного пузырька
Нуклеация (зарождение) При достаточном снижении давления в жидкости (ниже насыщенного давления пара при данной температуре) возникают зародыши кавитации. Это могут быть как газовые включения, так и паровые пузырьки.
Рост пузырька Под действием чередующихся фаз акустического давления пузырёк начинает пульсировать. В фазе разрежения он расширяется, поглощая газ или пар из окружающей жидкости. Рост может быть стабильным или экспоненциальным в зависимости от частоты и амплитуды звукового поля.
Коллапс пузырька В положительной полуволне давление резко возрастает, вызывая имплозию пузырька. Этот процесс сопровождается экстремальными условиями: локальные температуры до 10 000 K, давления до сотен атмосфер и образование ударных волн.
Типы акустической кавитации
Стабильная кавитация Пузырьки многократно пульсируют без разрушения. Она наблюдается при низких уровнях акустического давления. Такие пузырьки могут существовать длительное время и воздействовать на микроскопические потоки жидкости (так называемая акустическая микроструя).
Инерциальная (или транзиентная) кавитация Пузырьки быстро растут и разрушаются, сопровождаясь мощным коллапсом. Это типично для высокоинтенсивного ультразвука и сопровождается генерацией экстремальных локальных условий. Именно инерциальная кавитация имеет наибольшее практическое значение, особенно в химической и медицинской ультразвуковой обработке.
Механизмы акустического воздействия при кавитации
Во время коллапса кавитационных пузырьков реализуются следующие эффекты:
Зависимость кавитации от параметров акустического поля
Ключевыми характеристиками звукового поля, влияющими на кавитационный процесс, являются:
Амплитуда акустического давления Чем выше давление, тем ниже порог кавитации и интенсивнее коллапс.
Частота С ростом частоты уменьшается размер пузырьков, а также снижается вероятность их разрушительного коллапса. При низких частотах (20–100 кГц) кавитация происходит легче и эффективнее.
Интенсивность звука Интенсивность выше 1 Вт/см² может инициировать инерциальную кавитацию. При значениях порядка 10–100 Вт/см² наблюдаются выраженные эффекты.
Длительность воздействия Продолжительное акустическое воздействие способствует накоплению кавитационных эффектов, однако может также приводить к насыщению жидкости газом, изменяющему кавитационный режим.
Роль растворённых газов и температуры
Наличие газов в жидкости существенно облегчает кавитацию. Газ снижает давление насыщения, способствует стабилизации пузырьков. При этом слишком высокая концентрация может, наоборот, снизить интенсивность коллапса за счёт смягчения взрывного сжатия.
Повышенная температура снижает вязкость и поверхностное натяжение жидкости, облегчая кавитацию, но также увеличивает давление пара, уменьшая интенсивность коллапса.
Экспериментальные методы регистрации кавитации
Для исследования кавитационных процессов применяются различные методы:
Применения акустической кавитации
Ультразвуковая очистка Удаление загрязнений с поверхностей благодаря микроструям и кавитационным ударам.
Ультразвуковой синтез и химия (сонолюминесценция и сонохимия) Реакции ускоряются из-за локальных температур и радикальной химии внутри пузырьков.
Медицина Ультразвуковая литотрипсия использует кавитацию для разрушения камней в организме. Также исследуется возможность таргетированной доставки лекарств с помощью кавитационных пузырьков.
Энергетика Кавитационные эффекты исследуются в контексте интенсификации теплообменных и массопереносных процессов.
Обработка материалов Улучшение свойств жидкостей и суспензий, ускорение смешивания, диспергирования, эмульгирования.
Сонохимия и сонолюминесценция
Особый интерес представляет явление сонолюминесценции — свечение пузырьков во время коллапса. Оно свидетельствует о наличии экстремальных температур и давлений, подтверждая возможность микроскопических термоядерных и химических процессов в условиях кавитации.
Сонохимические реакции, обусловленные кавитацией, находят применение в синтезе наноматериалов, органической химии, каталитических процессах, очистке сточных вод и деградации токсичных соединений.
Численное моделирование кавитации
Для количественного анализа кавитационных процессов используются модели пузырьковой динамики. Наиболее распространённая — уравнение Рэлея–Плессета:
$$ R\ddot{R} + \frac{3}{2} \dot{R}^2 = \frac{1}{\rho} \left(p_g - p_0 - p(t) - 4\mu \frac{\dot{R}}{R} - \frac{2\sigma}{R}\right) $$
где R(t) — радиус пузырька, ρ — плотность жидкости, μ — вязкость, σ — поверхностное натяжение, p(t) — внешнее акустическое давление, pg — давление газа внутри пузырька.
Это уравнение позволяет описать динамику одиночного пузырька в условиях звукового воздействия, предсказывать условия его коллапса и соответствующие энергетические характеристики.
Проблемы и вызовы
Хотя акустическая кавитация успешно используется во многих отраслях, она остаётся сложно управляемым и многопараметрическим процессом. Нелинейность, стохастичность и чувствительность к внешним условиям (температуре, газовому составу, чистоте жидкости) затрудняют масштабирование лабораторных результатов в промышленные технологии. Надёжное численное моделирование и точное экспериментальное измерение кавитационных полей остаются актуальными научными задачами.