Предыдущая страница реферата | 1  2  3  4 | Следующая страница реферата

При вертикальном температурном градиенте и недостаточном разогреве на поверхность поднимаются только мельчайшие воздушные пузырьки. Высота подъема ПП определяется толщиной слоя, прогретого выше критической температуры, поскольку в более холодных слоях пар конденсируется. Эффект схлопывания пузырьков в объеме жидкости рассматривается при изучении явления кавитации (от латинского cavitas - пустота) - образования разрывов сплошности жидкости. При схлопывании кавитационных пузырьков в жидкости распространяются ударные волны [4] (ультразвуковых частот), сопровождаемые шумом в звуковом диапазоне. Для начальных стадий кипения характерны самые громкие и высокие звуки (на стадии "белого ключа" чайник "поет" [5]).

Для оценки характерной частоты звука [5] запишем уравнение Ньютона для массы воды m, устремляющейся внутрь пузырька при его схлопывании:

ma = SDp , (9)

где a - ускорение движения границы к центру пузырька, S = 4pr2 - площадь поверхности пузырька, Dp - разность давлений на границе пузырька. Если в процесс схлопывания вовлечена масса воды m ~ rr3, то rr3 а ~ Dp r2.

Рис. 6: Воздушный пузырек на поверхности

Будем считать Dp зависящим только от вертикального температурного градиента. Величину ускорения оценим из кинематического соотношения r = at2/2 , где t - время схлопывания пузырька: a ~ r/t2. Тогда rr2/t2 ~ Dp. Отсюда:

 (10)

Вблизи T = 100°C давление насыщенного пара уменьшается на 3·103Па при понижении температуры на градус. Поэтому можно принять Dp ~ 103Па. Время схлопывания пузырька 10-3c соответствует частоте звука 103 Гц. Колебания воды, вызванные схлопыванием пузырьков, приводят к значительному облегчению выделения растворенного воздуха в виде мельчайших пузырьков, размеры которых практически не изменяются при подъеме [2,4]. Мельчайшие пузырьки воздуха (рис.6) при достижении поверхности воды являются более долгоживущими, чем сравнительно крупные ПП. Прикасаясь к поверхности воды, они лишь слегка деформируют ее, как бы приклеиваясь к поверхности раздела с нижней стороны. Почти полностью находясь в воде, они сохраняются сравнительно долго, а лопаясь, могут быть источником высокочастотного шума.

Измерение шумов, сопровождающих кипение

Для измерений использовался высокочувствительный микрофон с усилителем, который с помощью адаптера был подключен к персональному компьютеру IBM PC 386. Усиливались сигналы в частотном диапазоне 17-70 кГц. Микрофон подносили к поверхности воды, налитой в электрочайник мощностью 1 кВт. Проводили измерения шума при нагревании воды на разных стадиях: 1) в самом начале объемной дегазации; 2) на стадии "белого ключа"; 3) при установившемся кипении. Для каждого цикла измерений наливалась свежая холодная вода. Результаты записывались в виде текстовых файлов. После преобразования Фурье были отфильтрованы гармоники спектра, вызванные селективным усилением приемного тракта, а также сигналы, амплитуда которых не превышала уровня шумов установки. Из частотных характеристик, приведенных на рис. 7, видно, что стадия "белого ключа" сопровождается значительным возрастанием акустического шума в частотном диапазоне от 35 до 60 кГц.

Можно выделить три различных механизма возникновения шума: 1) отрыв ПП от дна; 2) схлопывание ПП в объеме; 3) схлопывание ПП и ВП на поверхности. Проведем оценку характерных частот шумов для всех этих механизмов:

1. При отрыве ПП от дна характерная частота порядка 100 Гц [5].

2. По приведенной выше оценке (10) схлопывание ПП в объеме сопровождается колебаниями воды с частотой 1 кГц.

3. Характерная частота звука, возникающего, когда пузырьки лопаются на поверхности, может быть определена из соотношения (10):

 (11)

Считая, что пузырек схлопывается за счет капиллярного давления, получим:

 (12)

Схлопывание ПП радиусом 1-10 мм приводит к низкочастотным колебаниям порядка 100 Гц. Для ВП радиусом 40 мкм частота колебаний составляет 50 кГц.

Рис. 7: Спектр шума на различных стадиях кипения

Проведенные оценки однозначно показывают, что измеренный высокочастотный шум вызван схлопыванием воздушных пузырьков на поверхности. Частотный интервал шума на стадии "белого ключа" показывает, что при индуцированной дегазации в объеме образуются воздушные пузырьки размерами от 35 до 50 мкм.

Заключение

Проведенные экспериментальные и теоретические исследования эволюции паровых и воздушных пузырьков в воде позволяют сделать следующие выводы:

1. Проведенные наблюдения за появлением и ростом пузырьков на дне и расчеты показали, что критический радиус при отрыве от дна определяется диаметром "перетяжки" и при нормальных условиях не может быть менее миллиметра.

Рекомендуем скачать другие рефераты по теме: налоги в россии, реферат по физике.





Предыдущая страница реферата | 1  2  3  4 | Следующая страница реферата