Siirry sisältöön

Glyseriinissä tapahtuvan ultraäänikaasunpoiston fysikaalinen mallintaminen

Ultraäänikaasunpoisto glyseriinillä, joka tarjoaa testialustan jatkotutkimuksille.

Sulan lasin kaasunpoisto glyseriinillä: konseptin toimivuuden visualisointi

Glyseriini valittiin kaasunpoistoon, koska sen viskositeetti on samanlainen kuin sulan lasin. Koska kokeet suoritetaan huoneenlämmössä, ultraäänikavitaatioprosessin seuranta on huomattavasti suoraviivaisempaa. Käytimme kahta kokeellista järjestelyä, joissa pystyimme visuaalisesti tarkkailemaan ja tallentamaan kaasunpoistoprosessin. Mallintamalla fyysisesti ultraäänikaasunpoistoa glyseriinillä voimme yksinkertaistaa tulevaa prosessien optimointia.

Ultraäänikavitaatio

Ultraäänikavitaatiossa nesteisiin kohdistetaan ultraääniaaltoja, mikä johtaa mikrokuplien muodostumiseen, kasvuun, pulsaatioon ja luhistumiseen. Kavitaatio käynnistyy, kun kynnysenergiataso saavutetaan, joka on glyseriinille noin 0,15 MPa. Muodostuu tuhansia kuplia. Nämä laajenevat ja luhistuvat nopeasti, jolloin syntyy suurnopeuksisia paineaaltoja ja useiden GPa:iden korkeita paineita. Paikallisesti esiintyy myös korkeita lämpötiloja.

Kavitaatioytimille muodostuu kaasukuplia, jotka kasvavat diffuusion kautta glyseriinistä kuplaan. Jos nesteessä on jo kuplia, ne kasvavat diffuusion kautta. Yksittäiset kuplat yhtyvät niiden välisten vetovoimien (Bjerknesin ja Bernoullin voimat) vuoksi. Kasvaessaan niiden kelluvuus kasvaa, ja ne kelluvat pintaan ja vapauttavat kaasun ilmakehään.

Rekisteröidy tästä katsoaksesi koko elokuvan
Liu'uta keskimmäisiä nuolia hiirellä vasemmalta oikealle ja päinvastoin nähdäksesi täydet kuvat ennen ultraäänikaasunpoistoa ja sen jälkeen.

Ultraäänikavitaation tulokset

Koko prosessin videoita on saatavilla YouTubessa (rekisteröidy katsoaksesi ne): Molemmissa kokoonpanoissa kuplien kasvu ja kuplien kulkeutuminen akustisen virtauksen avulla ovat selvästi näkyvissä. Akustinen virtaus johtaa paksuihin kuplapilvien muodostumiin, jotka lopulta saavuttavat nesteen pinnan ja leviävät. Asennuksessa 1 kavitaatiotapahtumia tapahtui pääasiassa äänipään pinnalla, ja ensimmäinen virratin ilmestyi noin 30 sekunnin kuluttua. Asennuksessa 2 virrat muodostuivat kaikkialle nesteeseen, ja säiliön muodon vuoksi havaitaan seisovien aaltojen, solmualueiden ja vastakkaisten vyöhykkeiden sekä korkean ja matalan energian vaikutuksia. Molemmissa vyöhykkeissä kuplien nähdään liikkuvan toisiaan kohti ja yhdistyvän, mikä osoittaa merkittäviä mahdollisuuksia lasin kirkastusprosessin parantamiseen.

Ennen kuin näytteisiin kohdistettiin ultraäänienergiaa, molemmissa oli paljon pieniä kuplia, jotka tekivät niistä puoliläpinäkymättömiä. Ajan myötä kuplat poistettiin ja glyseriininäytteet kirkastuivat. Kuva 1 esittää glyseriiniä kokeellisessa järjestelyssä 1 ennen koetta ja sen jälkeen. Kuva 2 esittää kokeellista näytettä ja kontrollinäytettä ennen ultraäänen kohdistamista järjestelyssä 2 ja sen jälkeen. Järjestelmässä 1 kirkastui noin 4,5 litraa glyseriiniä kymmenessä minuutissa.

Kokeellinen järjestely

Käytettiin kahta kokeellista järjestelyä. Ensimmäinen (järjestely 1) koostui 4,5 litran glyseriinikulhosta, joka sisälsi keraamisen äänipään. Toinen (järjestely 2) oli glyseriinillä täytetty kvartsilasinen näkökenno, jonka mitat olivat K 63 x L 35 x S 10 mm ja johon kohdistettiin ulkoista ultraäänienergiaa. Toiseen järjestelyyn sisältyi myös identtinen kontrollinäyte, johon ei kohdistettu ultraäänienergiaa.

Asetuksessa 1 käytetty keraaminen äänipää on kehitetty erityisesti poistamaan seisovat aallot 20 kHz:n taajuudella. Tämä poistaa halkeilun vaaran.

Johtopäätös

Ultraäänikavitaatiokuviot olivat selvästi näkyvissä glyseriinissä molemmissa kokeellisissa järjestelyissä, mikä osoittaa, että tämä fysikaalinen malli on erinomainen tapa tutkia kaasunpoistoa viskooseissa väliaineissa, kuten sulassa lasissa.

Sulan lasin ultraäänikaasunpoistolla on monia etuja verrattuna perinteisiin kaasunpoistomenetelmiin. Se on esimerkiksi nopeampi, kuluttaa huomattavasti vähemmän energiaa eikä käytä myrkyllisiä lisäaineita . Lisäksi prosessin fyysinen mallintaminen glyseriinillä tarjoaa ihanteellisen tavan tutkia ja optimoida prosessia.