Hopp til innhold

Fysisk modellering av ultralydavgassing i glyserin

Hjem
Fysisk modellering av ultralydavgassing i glyserin

Ultralydavgassing ved bruk av glyserin, som gir et testmiljø for videre studier.

Avgassing av smeltet glass ved bruk av glyserin: visualisering av konseptbevis

Glyserin ble valgt for avgassing fordi den har en viskositet som ligner på smeltet glass. Siden eksperimentene utføres ved romtemperatur, er det betydelig enklere å overvåke ultralydkavitasjonsprosessen. Vi brukte to eksperimentelle oppsett der vi visuelt kunne observere og registrere avgassingsprosessen. Ved å fysisk modellere ultralydavgassing av smeltet glass ved hjelp av glyserin, kan vi forenkle fremtidig prosessoptimalisering.

Ultralydkavitasjon

Ultralydkavitasjon innebærer å påføre ultralydbølger på væsker, noe som resulterer i produksjon, vekst, pulsering og kollaps av mikrobobler. Kavitasjon starter når et terskelenerginivå er nådd, som er omtrent 0,15 MPa for glyserin. Mange tusen bobler dannes. Disse utvider seg og kollapser raskt, noe som skaper sjokkbølger med høy hastighet og høyt trykk på flere GPa. Lokale høye temperaturer forekommer også.

Gassbobler dannes på kavitasjonskjernene og vokser ved diffusjon fra glyserinen inn i boblen. Hvis væsken allerede inneholder bobler, gjennomgår disse diffusjonsvekst. Individuelle bobler samler seg på grunn av tiltrekningskrefter mellom dem ( Bjerknes- og Bernoulli -krefter). Etter hvert som de vokser, øker oppdriften deres, og de flyter opp til overflaten og frigjør gassen til atmosfæren.

Registrer deg her for å se hele filmen
Skyv pilene i midten med musen fra venstre til høyre og omvendt for å se fullstendige bilder før og etter ultralydavgassing.

Resultater av ultralydkavitasjon

Videoer av hele prosessen er tilgjengelige på YouTube (registrer deg for å se dem): I begge oppsettene er boblevekst og bobletransport ved akustisk strømning tydelig synlig. Den akustiske strømningen fører til tykke bobleskydannelser som til slutt når væskeoverflaten og sprer seg. I oppsett 1 skjedde kavitasjonshendelser hovedsakelig på overflaten av sonotroden, og den første streameren dukket opp etter omtrent 30 sekunder. I oppsett 2 dannet det seg streamere gjennom hele væsken, og på grunn av beholderens form observeres effektene av stående bølger, nodale og antinodale soner, med høy og lav energi. I begge sonene sees bobler bevege seg mot hverandre og koalesere, noe som viser betydelig potensial for en forbedret glassfineringsprosess.

Før prøvene ble påført ultralydenergi, inneholdt begge mange små bobler som gjorde dem halvt ugjennomsiktige. Over tid ble boblene fjernet, og glyserinprøvene ble klarnet. Figur 1 viser glyserinen i eksperimentelt oppsett 1 før og etter eksperimentet. Figur 2 viser eksperimentell prøve og kontrollprøve før og etter påføring av ultralyd i oppsett 2. I oppsett 1 ble omtrent 4,5 liter glyserin klarnet i løpet av ti minutter.

Eksperimentelt oppsett

To eksperimentelle oppsett ble brukt. Det første (oppsett 1) ​​besto av en 4,5-liters bolle med glyserin som inneholdt den keramiske sonotroden. Det andre (oppsett 2) var en glyserinfylt kvartsglasscelle med dimensjoner H 63 x B 35 x D 10 mm, som ble tilført ekstern ultralydenergi. Det andre oppsettet inkluderte også en identisk kontrollprøve som ikke ble tilført ultralydenergi.

Den keramiske sonotroden som brukes i oppsett 1 er spesialutviklet for å eliminere stående bølger ved 20 kHz. Dette eliminerer faren for sprekkdannelser.

Konklusjon

Ultralydkavitasjonsmønstrene var tydelig synlige i glyserinen i resultatene fra begge eksperimentelle oppsettene, noe som viser at denne fysiske modellen er en utmerket måte å studere avgassing i viskøse medier som smeltet glass.

Ultralydavgassing av smeltet glass har mange fordeler sammenlignet med konvensjonelle avgassingsmetoder. For eksempel er det raskere, bruker betydelig mindre energi og bruker ingen giftige tilsetningsstoffer . I tillegg gir fysisk modellering av prosessen ved hjelp av glyserin en ideell måte å studere videre og optimalisere prosessen på.