Acoustic Waves Propagation in Heated Water with Vapor Bubbles

Проблемы распространения волн в пузырьковых средах представляют большой интерес для исследователей на протяжении почти полувека в связи с широким распространением этих систем в природе и их интенсивным использованием в современных технологиях. Из литературы известно, что интенсивность затухания звуковых возмущений в рассматриваемых газожидкостных средах в основном определяется теплофизическими характеристиками газа, находящегося в пузырьках. Оказывается, что эти эффекты значительно усиливаются с ростом концентрации пара, обусловленного повышением температуры системы. В работе рассмотрено в плоскоодномерном и односкоростном приближении распространение малых возмущений в жидкости с пузырьками, заполненными паром и не растворимым в жидкой фазе газом. Для учета межфазного тепломассообмена использовались уравнения теплопроводности и диффузии внутри пузырька и уравнение теплопроводности в жидкости вокруг пузырька. Из условия существования решения в виде затухающей бегущей волны с учетом эффектов акустической разгрузки пузырьков выписано дисперсионное уравнение, проведены численные расчеты для воды с парогазовыми пузырьками. Исследованы особенности отражения гармонических волн от границы раздела 'чистой' жидкости и жидкости с парогазовыми пузырьками. Проведен численный анализ влияния начального объем-газосодержания alpha_ {g0} с двумя начальными размерами пузырьков a_0 = 10^{-6} м и 10^{-3} м. Изучено влияние частот возмущений и температуры среды на коэффициент затухания акустической волны.

Ключевые слова

перегретая жидкость; пузырьки; фазовый переход; гармонические волны; фазовая скорость; коэффициент затухания; приращение.

Литература

1. Кутателадзе, С.С. Тепломассообмен и волны в газожидкостных системах / С.С. Кутателадзе, В.Е. Накоряков. - Новосибирск: Наука, 1984.
2. Нигматулин, Р.И. Динамика многофазных сред / Р.И. Нигматулин. - М.: Наука, 1987.
3. Шагапов, В.Ш. Реализация высоких давлений и температур в газовой фазе при истечении пузырьковой жидкости через сопло / В.Ш. Шагапов, С.А. Лепихин, М.Н. Галимзянов // Инженерно-физический журнал. - 2007. - Т. 80, № 6. - С. 134-137.
4. Галимзянов, М.Н. Истечение двухфазной смеси через сопло с учетом фазовых переходов / М.Н. Галимзянов, С.А. Лепихин // Вестник Самарского государственного университета. Естественнонаучная серия. Механика. - 2010. - № 2(76). - С. 96-104.
5. Галимзянов, М.Н. Распространение нелинейных волн в каналах переменного сечения, сопровождаемое образованием гидрата газа / М.Н. Галимзянов, С.А. Лепихин, И.А. Чиглинцев // Вестник Самарского государственного университета. Естественнонаучная серия. Механика. - 2012. - № 3/1(94). - С. 103-115.
6. Bolotnova, R.Kh. The Hydrodynamic Processes in Bubbly Liquid Flowing in Tubes and Nozzles / R.Kh. Bolotnova, M.N. Galimzianov, A.S. Topolnikov, U.O. Agisheva, V.A. Buzina // WASET. - 2012. - № 68. - P. 1992-1999.
7. Нигматулин, Р.И. Двумерные волны давления в жидкости, содержащей пузырьковые зоны / Р.И. Нигматулин, В.Ш. Шагапов, И.К. Гималтдинов, М.Н. Галимзянов // Доклады Академии Наук. - 2001. - Т. 378, № 6. - С. 763-768.
8. Галимзянов, М.Н. Двумерные волны давления в жидкости, содержащей пузырьки / М.Н. Галимзянов, И.К. Гималтдинов, В.Ш. Шагапов // Известия Российской академии наук. Механика жидкости и газа. - 2002. - № 2. - С. 139-147.
9. Галимзянов, М.Н. Распространение волн сжатия в пузырьковых зонах конечных размеров / М.Н. Галимзянов // Вестник Удмуртского университета. Математика. Механика. Компьютерные науки. - 2010. - № 2. - С. 57-66.
10. Bolotnova, R.Kh. Nonlinear Effects in Bubbly Liquid with Shock Waves / R.Kh. Bolotnova, M.N. Galimzianov, A.S. Topolnikov, V.A. Buzina, U.O. Agisheva // WASET. - 2012. - № 68. - P. 2000-2007.
11. Болотнова, Р.Х. Моделирование процессов взаимодействия сильных ударных волн в газожидкостных смесях / Р.Х. Болотнова, М.Н. Галимзянов, У.О. Агишева // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Физико-математические науки. - 2011. - № 2. - С. 3-14.
12. Агишева, У.О. Параметрический анализ режимов ударно-волнового воздействия на газожидкостные среды / У.О. Агишева, Р.Х. Болотнова, В.А. Бузина, М.Н. Галимзянов // Известия Российской академии наук. Механика жидкости и газа. - 2013. - № 2. - С. 15-28.
13. Hawker, N.A. Interaction of a Strong Shockwave with a Gas Bubble in a Liquid Medium: a Numerical Study / N.A. Hawker, Y. Ventikos // Journal of Fluid Mechanics. - 2012. - № 701. - P. 59-97.
14. Агишева, У.О. Распространение волн давления слабой интенсивности в жидкости, содержащей слой пузырьков / У.О. Агишева, М.Н. Галимзянов, Э.З. Заляева // Труды Института механики им. Р.Р. Мавлютова Уфимского научного центра РАН. - 2017. - Т. 12, № 2. - С. 244-249.
15. Шагапов, В.Ш. Распространение малых возмущений во вскипающей жидкости, содержащей газовые зародыши / В.Ш. Шагапов, О.А. Зайнуллина // Теплофизика высоких температур. - 2015. - T. 53, № 1. - С. 91-97.
16. Шагапов, В.Ш. Особенности отражения и преломления акустических волн на границе раздела между газом и дисперсной системой / В.Ш. Шагапов, В.В. Сарапулова // Прикладная механика и техническая физика. - 2015. - Т. 56, № 5(334). - С. 119-129.
17. Шагапов, В.Ш. Особенности преломления и отражения звука на границе пузырьковой жидкости / В.Ш. Шагапов, В.В. Сарапулова // Акустический журнал. - 2015. - Т. 61, № 1. - С. 40-48.
18. Губайдуллин, Д.А. Акустика жидкости с полидисперсными парогазовыми пузырьками / Д.А. Губайдуллин, Ю.В. Федоров // Инженерно-физический журнал. - 2017. Т. 90, № 2, pp. 325-333.
19. Губайдуллин, Д.А. Затухание акустического сигнала, распространяющегося через два слоя пузырьковой жидкости / Д.А. Губайдуллин, А.А. Никифоров // Инженерно-физический журнал. - 2018. Т. 91, № 1, pp. 214-220.
20. Шагапов, В.Ш. Особенности отражения и прохождения акустических волн на границе 'чистой' и пузырьковой жидкостей при прямом их падении / В.Ш. Шагапов, М.Н. Галимзянов, И.И. Вдовенко // Теплофизика высоких температур. - 2019. - Т. 57, № 2. - С. 284-290.
21. Шагапов, В.Ш. Особенности отражения и прохождения акустических волн на границе 'чистой' и пузырьковой жидкостей при 'косом' их падении / В.Ш. Шагапов, М.Н. Галимзянов, И.И. Вдовенко // Теплофизика высоких температур. - 2019. - Т. 57, № 3. - С. 464-468.
22. Шагапов, В.Ш. Особенности устойчивости и акустических свойств перегретой жидкости с газовыми зародышами при повышении давления / В.Ш. Шагапов, М.Н. Галимзянов, И.И. Вдовенко // Теплофизика высоких температур. - 2019. - Т. 57, № 5. - С. 748-754.
23. Шагапов, В.Ш. Акустика и устойчивость перегретой жидкости с газовыми зародышами / В.Ш. Шагапов, М.Н. Галимзянов, И.И. Вдовенко // Прикладная механика и техническая физика. - 2019. - Т. 60, № 3. - С. 85-95.
24. Нигматулин, Р.И. Проявление сжимаемости несущей фазы при распространении волны в пузырьковой среде / Р.И. Нигматулин, В.Ш. Шагапов, Н.К. Вахитова // Доклады АН СССР. - 1989. - Т. 304, № 5. - С. 1077-1081.
25. Ландау, Л.Д. Гидродинамика / Л.Д. Ландау, Е.М. Лифшиц. - Москва: Физматлит, 2006.
26. Варгафтик, Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей / Н.Б. Варгафтик. - Москва: Наука, 1972.