- Khử khí bằng sóng siêu âm đối với kim loại nóng chảy ở nhiệt độ lên đến 2.300°C và thủy tinh nóng chảy
- Thứ Hai - Thứ Sáu: 09:00 - 19:00
- Sialon Ceramics Aps - Østerbrogade 226, tầng trệt - 2100 Copenhagen - Đan Mạch
Quá trình khử khí bằng sóng siêu âm sử dụng glycerine, tạo ra một môi trường thử nghiệm cho các nghiên cứu tiếp theo.
Quá trình khử khí trong thủy tinh nóng chảy bằng glycerine: minh họa khái niệm
Glycerin được chọn để khử khí vì nó có độ nhớt tương tự như thủy tinh nóng chảy. Do các thí nghiệm được tiến hành ở nhiệt độ phòng, việc theo dõi quá trình xâm thực siêu âm trở nên đơn giản hơn đáng kể. Chúng tôi đã sử dụng hai thiết lập thí nghiệm cho phép quan sát trực quan và ghi lại quá trình khử khí. Bằng cách mô phỏng vật lý quá trình khử khí bằng siêu âm đối với thủy tinh nóng chảy thông qua glycerin, chúng tôi có thể đơn giản hóa việc tối ưu hóa quy trình trong tương lai.
Hiện tượng xâm thực siêu âm
Hiện tượng xâm thực siêu âm liên quan đến việc tác động sóng siêu âm lên chất lỏng, dẫn đến sự hình thành, phát triển, dao động và sụp đổ của các bọt khí siêu nhỏ. Hiện tượng xâm thực bắt đầu khi đạt đến mức năng lượng ngưỡng, khoảng 0,15 MPa đối với glycerine. Hàng nghìn bọt khí được hình thành. Các bọt khí này giãn nở và sụp đổ nhanh chóng, tạo ra sóng xung kích tốc độ cao và áp suất cao lên đến vài GPa. Nhiệt độ cao cục bộ cũng xuất hiện.
Các bọt khí hình thành trên các nhân xâm thực và phát triển nhờ quá trình khuếch tán từ glycerine vào bên trong bọt. Nếu chất lỏng đã chứa sẵn các bọt khí, thì các bọt này sẽ phát triển nhờ quá trình khuếch tán. Các bọt khí riêng lẻ hợp nhất với nhau do lực hút giữa chúng ( lực Bjerknes và lực Bernoulli ). Khi chúng phát triển, lực nổi của chúng tăng lên, khiến chúng nổi lên bề mặt và giải phóng khí ra môi trường xung quanh.
Đăng ký tại đây để xem trọn bộ phim
Dùng chuột kéo các mũi tên ở giữa từ trái sang phải và ngược lại để xem hình ảnh đầy đủ trước và sau quá trình khử khí bằng sóng siêu âm.
Kết quả của hiện tượng xâm thực siêu âm
Các video ghi lại toàn bộ quá trình có sẵn trên YouTube (vui lòng đăng ký để xem): Trong cả hai thiết lập, quá trình hình thành bọt và sự di chuyển của bọt do dòng chảy âm thanh đều có thể quan sát rõ ràng. Dòng chảy âm thanh dẫn đến sự hình thành các đám mây bọt dày đặc, cuối cùng vươn tới bề mặt chất lỏng và tan ra. Trong thiết lập 1, các hiện tượng xâm thực chủ yếu xảy ra tại bề mặt sonotrode, và luồng bọt đầu tiên xuất hiện sau khoảng 30 giây. Trong thiết lập 2, các luồng bọt hình thành khắp chất lỏng và do hình dạng của bình chứa, người ta quan sát thấy các hiệu ứng của sóng đứng, vùng nút và vùng phản nút, với năng lượng cao và thấp. Trong cả hai vùng, bọt được quan sát thấy di chuyển về phía nhau và hợp nhất, cho thấy tiềm năng đáng kể trong việc cải thiện quy trình làm trong thủy tinh.
Trước khi áp dụng năng lượng siêu âm vào các mẫu, cả hai mẫu đều chứa nhiều bọt khí nhỏ khiến chúng trở nên bán trong suốt. Theo thời gian, các bọt khí đã được loại bỏ và các mẫu glycerine trở nên trong suốt. Hình 1 cho thấy glycerine trong thiết lập thí nghiệm 1 trước và sau thí nghiệm. Hình 2 cho thấy mẫu thí nghiệm và mẫu đối chứng trước và sau khi áp dụng sóng siêu âm trong thiết lập 2. Trong thiết lập 1, khoảng 4,5 lít glycerine đã trở nên trong suốt trong vòng mười phút.
Cấu hình thí nghiệm
Hai thiết lập thí nghiệm đã được sử dụng. Thiết lập thứ nhất (thiết lập 1) bao gồm một bát glycerine dung tích 4,5 lít chứa sonotrode gốm. Thiết lập thứ hai (thiết lập 2) là một buồng quan sát bằng thủy tinh thạch anh chứa đầy glycerine với kích thước Cao 63 × Rộng 35 × Sâu 10 mm, được tác động bởi năng lượng siêu âm từ bên ngoài. Bố trí thứ hai cũng bao gồm một mẫu đối chứng giống hệt, không được tác động bởi năng lượng siêu âm.
Sonotrode gốm được sử dụng trong thiết lập 1 đã được phát triển đặc biệt để loại bỏ sóng đứng ở tần số 20 kHz. Điều này giúp loại bỏ nguy cơ nứt vỡ.
Kết luận
Các mô hình xâm thực siêu âm có thể quan sát rõ ràng trong glycerine ở cả hai thiết lập thí nghiệm, chứng tỏ rằng mô hình vật lý này là một phương pháp tuyệt vời để nghiên cứu quá trình khử khí trong các môi trường có độ nhớt cao như thủy tinh nóng chảy.
Quá trình khử khí bằng sóng siêu âm đối với thủy tinh nóng chảy mang lại nhiều lợi ích so với các phương pháp khử khí truyền thống. Chẳng hạn, phương pháp này nhanh hơn, tiêu thụ năng lượng ít hơn đáng kể và không sử dụng các chất phụ gia độc hại. Ngoài ra, việc mô phỏng vật lý quá trình này bằng glycerine cung cấp một phương pháp lý tưởng để nghiên cứu sâu hơn và tối ưu hóa quy trình.