Распределения акустического давления и зон кавитационной активности в жидкости: численное моделирование и эксперимент
DOI:
https://doi.org/10.7242/1999-6691/2025.18.1.6Ключевые слова:
ультразвуковая стоячая волна, акустическая кавитация, метод foil test, кавитационная активность, акустическое давление, численное моделирование, программный пакет COMSOL MultiphysicsАннотация
Одним из направлений изучения физико-химических процессов, происходящих в жидкости под действием высокочастотных звуковых колебаний (ультразвука), является определение роли акустической кавитации. Ее возникновение обусловлено неоднородностью акустического давления, создаваемого волнами от источника ультразвука (излучателя). Основная задача настоящей работы заключается в численном исследовании в пакете COMSOL Multiphysics трехмерного стационарного распределения акустического давления в рабочей области, заполненной жидкостью с заданными физико-химическими свойствами. Совместно с вычислительными экспериментами проводится натурное установление расположения зон кавитационной активности методом foil test, результаты которого оцениваются путем сравнения со структурой рассчитанного внутри рабочей полости звукового поля. В рамках разрабатываемой численной модели для простоты рассматриваются стоячие ультразвуковые волны. Используются две формы расчетной области – прямой круговой цилиндр и прямоугольный параллелепипед. Анализируется стационарное распределение акустического давления над круглым излучателем. Полагается, что ультразвуковые стоячие волны распространяются в жидкой среде, которая сжимаема, при этом диссипация звуковой энергии при наличии вязкого трения и образовании парогазовых пузырьков в жидкости не учитывается. На верхней и боковой границах рабочей полости задается либо нулевое давление, либо условие импеданса. Исследуется распределение акустического давления, возникающего в жидкости под воздействием стоячей ультразвуковой волны при резонансных и нерезонансных частотах излучателя. Выполняется сопоставление распределения акустического давления в центральном сечении рабочей полости с фотографиями алюминиевой фольги, полученными в натурном эксперименте.
Скачивания
Библиографические ссылки
Ashokkumar M., Lee J., Kentish S., Grieser F. Bubbles in an acoustic field: An overview // Ultrasonics Sonochemistry. 2007a. Vol. 14, no. 4. P. 470–475. DOI: 10.1016/j.ultsonch.2006.09.016
Ashokkumar M. The characterization of acoustic cavitation bubbles – An overview // Ultrasonics Sonochemistry. 2011a. Vol. 18, no. 4. P. 864–872. DOI: 10.1016/j.ultsonch.2010.11.016
Бутюгина Е.В., Насибуллаева Э.Ш., Гумеров Н.А., Ахатов И.Ш. Численное моделирование динамики газового микропузырька в акустическом поле с учетом процесса направленной диффузии // Вычислительная механика сплошных сред. 2014. Т. 7, № 3. C. 234–244. DOI: 10.7242/1999-6691/2014.7.3.23
Коновалов В.В., Любимова Т.П. Численное исследование влияния вибраций на взаимодействие в ансамбле газовых пузырьков и твердых частиц в жидкости // Вычислительная механика сплошных сред. 2019. Т. 12, № 1. C. 48–56. DOI: 10.7242/1999-6691/2019.12.1.5
Sboev I., Lyubimova T., Rybkin K., Kuchinskiy M. A Numerical Investigation of the Effect of Boundary Conditions on Acoustic Pressure Distribution in a Sonochemical Reactor Chamber // Fluid Dynamics & Materials Processing. 2024a. Vol. 20, no. 6. DOI: 10.32604/fdmp.2024.051341
Yasui K. Acoustic Cavitation and Bubble Dynamics. Cham: Springer International Publishing, 2018a. DOI: 10.1007/978-3-319-68237-2
Nguyen T.T., Asakura Y., Koda S., Yasuda K. Dependence of cavitation, chemical effect, and mechanical effect thresholds on ultrasonic frequency // Ultrasonics Sonochemistry. 2017a. Vol. 39. P. 301–306. DOI: 10.1016/j.ultsonch.2017.04.037
Arndt R.E. Recent Advances in Cavitation Research //. Vol. 12. 1981a. P. 1–78. DOI: 10.1016/B978-0-12-021812-7.50006-7
Chatel G., Colmenares J.C. Sonochemistry: From Basic Principles to Innovative Applications. 2017a. Topics in Current Chemistry. DOI: 10.1007/978-3-319-54271-3
Kuchinskiy M., Lyubimova T., Rybkin K., Sadovnikova A., Galishevskiy V. Investigation of Cavitation in NaCl Solutions in a Sonochemical Reactor Using the Foil Test Method // Fluid Dynamics & Materials Processing. 2024a. Vol. 20, no. 5. DOI: 10.32604/fdmp.2024.050059
Leong T., Johansson L., Juliano P., McArthur S.L., Manasseh R. Ultrasonic Separation of Particulate Fluids in Small and Large Scale Systems: A Review // Industrial & Engineering Chemistry Research. 2013a. Vol. 52, no. 47. P. 16555–16576. DOI: 10.1021/ie402295r
Trujillo F.J., Juliano P., Barbosa-Cánovas G., Knoerzer K. Separation of suspensions and emulsions via ultrasonic standing waves -– A review // Ultrasonics Sonochemistry. 2014a. Vol. 21, no. 6. P. 2151–2164. DOI: 10.1016/j.ultsonch.2014.02.016
Luo X., Gong H., Yin H., He Z., He L. Optimization of acoustic parameters for ultrasonic separation of emulsions with different physical properties // Ultrasonics Sonochemistry. 2020a. Vol. 68. 105221. DOI: 10.1016/j.ultsonch.2020.105221
Chen Y., Truong V.N.T., Bu X., Xie G. A review of effects and applications of ultrasound in mineral flotation // Ultrasonics Sonochemistry. 2020a. Vol. 60. 104739. DOI: 10.1016/j.ultsonch.2019.104739
Mao Y., Xia W., Peng Y., Xie G. Ultrasonic-assisted flotation of fine coal: A review // Fuel Processing Technology. 2019a. Vol. 195. 106150. DOI: 10.1016/j.fuproc.2019.106150
Altun N.E., Hwang J.-Y., Hicyilmaz C. Enhancement of flotation performance of oil shale cleaning by ultrasonic treatment // International Journal of Mineral Processing. 2009a. Vol. 91, no. 1/2. P. 1–13. DOI: 10.1016/j.minpro.2008.10.003
Wang H., Yang W., Yan X., Wang L., Wang Y., Zhang H. Regulation of bubble size in flotation: A review // Journal of Environmental Chemical Engineering. 2020a. Vol. 8, no. 5. 104070. DOI: 10.1016/j.jece.2020.104070
Sutkar V.S., Gogate P.R., Csoka L. Theoretical prediction of cavitational activity distribution in sonochemical reactors // Chemical Engineering Journal. 2010a. Vol. 158, no. 2. P. 290–295. DOI: 10.1016/j.cej.2010.01.049
Advanced Experimental and Numerical Techniques for Cavitation Erosion Prediction. Vol. 106 / ed. by K. Kim, G. Chahine, J. Franc, A. Karimi. Springer Netherlands, 2014a. Fluid Mechanics and Its Applications. DOI: 10.1007/978-94-017-8539-6
Gogate P.R., Tatake P.A., Kanthale P.M., Pandit A.B. Mapping of sonochemical reactors: Review, analysis, and experimental verification // AIChE Journal. 2002a. Vol. 48, no. 7. P. 1542–1560. DOI: 10.1002/aic.690480717
Wei Z., Weavers L.K. Combining COMSOL modeling with acoustic pressure maps to design sono-reactors // Ultrasonics Sonochemistry. 2016a. Vol. 31. P. 490–498. DOI: 10.1016/j.ultsonch.2016.01.036
Klíma J., Frias-Ferrer A., González-García J., Ludvík J., Saez V., Iniesta J. Optimisation of 20 kHz sonoreactor geometry on the basis of numerical simulation of local ultrasonic intensity and qualitative comparison with experimental results // Ultrasonics Sonochemistry. 2007a. Vol. 14, no. 1. P. 19–28. DOI: 10.1016/j.ultsonch.2006.01.001
Krefting D., Mettin R., Lauterborn W. High-speed observation of acoustic cavitation erosion in multibubble systems // Ultrasonics Sonochemistry. 2004a. Vol. 11, no. 3/4. P. 119–123. DOI: 10.1016/j.ultsonch.2004.01.006
Rossing T.D. Springer Handbook of Acoustics. Springer New York, 2014a. DOI: 10.1007/978-1-4939-0755-7
Bampouli A., Goris Q., Van Olmen J., Solmaz S., Noorul Hussain M., Stefanidis G.D., Van Gerven T. Understanding the ultrasound field of high viscosity mixtures: Experimental and numerical investigation of a lab scale batch reactor // Ultrasonics Sonochemistry. 2023a. Vol. 97. 106444. DOI: 10.1016/j.ultsonch.2023.106444
Liu L., Wen J., Yang Y., Tan W. Ultrasound field distribution and ultrasonic oxidation desulfurization efficiency // Ultrasonics Sonochemistry. 2013a. Vol. 20, no. 2. P. 696–702. DOI: 10.1016/j.ultsonch.2012.10.009
Servant G., Laborde J.-L., Hita A., Caltagirone J.-P., Gérard A. Spatio-temporal dynamics of cavitation bubble clouds in a low frequency reactor: comparison between theoretical and experimental results // Ultrasonics Sonochemistry. 2001a. Vol. 8, no. 3. P. 163–174. DOI: 10.1016/S1350-4177(01)00074-8
Lyubimova T., Rybkin K., Fattalov O., Kuchinskiy M., Filippov L. Experimental study of temporal dynamics of cavitation bubbles selectively attached to the solid surfaces of different hydrophobicity under the action of ultrasound // Ultrasonics. 2021a. Vol. 117. 106516. DOI: 10.1016/j.ultras.2021.106516
Kaltenbacher M. Computational Acoustics. Cham: Springer International Publishing, 2018a. DOI: 10.1007/978-3-319-59038-7
Rashwan S.S., Mohany A., Dincer I. Development of efficient sonoreactor geometries for hydrogen production // International Journal of Hydrogen Energy. 2021a. Vol. 46, no. 29. P. 15219–15240. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2021.02.113
Tudela I., Sáez V., Esclapez M.D., Díez-García M.I., Bonete P., González-García J. Simulation of the spatial distribution of the acoustic pressure in sonochemical reactors with numerical methods: A review // Ultrasonics Sonochemistry. 2014a. Vol. 21, no. 3. P. 909–919. DOI: 10.1016/j.ultsonch.2013.11.012
Laborde J.- L., Bouyer C., Caltagirone J.-P., Gérard A. Acoustic cavitation field prediction at low and high frequency ultrasounds // Ultrasonics. 1998a. Vol. 36, no. 1–5. P. 581–587. DOI: 10.1016/S0041-624X(97)00106-6
Tao T., Zhao J., Wang W. Study on the Characterization Method of Ultrasonic Cavitation Field based on the Numerical Simulation of the Amplitude of Sound Pressure // MATEC Web of Conferences. 2020a. Vol. 319. 02003. DOI: 10.1051/matecconf/202031902003
Wang Y.- C., Yao M.-C. Realization of cavitation fields based on the acoustic resonance modes in an immersion-type sonochemical reactor // Ultrasonics Sonochemistry. 2013a. Vol. 20, no. 1. P. 565–570. DOI: 10.1016/j.ultsonch.2012.07.026
Загрузки
Опубликован
Выпуск
Раздел
Лицензия
Copyright (c) 2025 Вычислительная механика сплошных сред
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution-NonCommercial» («Атрибуция — Некоммерческое использование») 4.0 Всемирная.
