Исследование спектра звукового излучения процесса электролиза воды

Воронина, Наталия Геннадьевна

Исследование спектра звукового излучения процесса электролиза воды тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.06 ВАК РФ

Воронина, Наталия Геннадьевна АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Санкт-Петербург МЕСТО ЗАЩИТЫ

2004 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.06 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Исследование спектра звукового излучения процесса электролиза воды»

Автореферат диссертации на тему "Исследование спектра звукового излучения процесса электролиза воды"

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МОРСКОЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

УДК 534.138

ВОРОНИНА НАТАЛИЯ ГЕННАДЬЕВНА

ИССЛЕДОВАНИЕ СПЕКТРА ЗВУКОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ПРОЦЕССА ЭЛЕКТРОЛИЗА ВОДЫ

01.04.06 - акустика АВТОРЕФЕРАТ

диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург - 2004

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном морском техническом университете.

Научный руководитель: доктор физико-математических

наук, действительный член Академии инженерных наук РФ, профессор Ф.Ф. Легуша

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник В. М. Кузькин

кандидат физико-математических наук, доцент Г. А Дружинин

Ведущая организация'

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет

Защита диссертации состоится 17 июня 2004 года в 11-00 ч. в ауд. У-167 на заседании диссертационного совета Д 212 228.04 Санкт-Петербургского государственного морского технического университета по адресу: 198262 г. Санкт-Петербург, Ленинский проспект, д. 101

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПбГМТУ. Автореферат разослан «14» мая 2004 г.

Ученый секретарь диссертационного совета к.т.н., доцент

Васильев Б.П.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Диссертационная работа посвящена теоретическим и экспериментальным исследованиям процесса излучения звука пузырями, отрывающимися от твердой поверхности при электролизе воды.

Актуальность проблемы. В гидроакустике электролиз воды используется для получения газожидкостных смесей (ГЖС), представляющих собой слой воды, содержащей водородные пузыри. По общей классификации, подобные ГЖС относятся к холодным двухфазным средам. Слои ГЖС обычно используются как акустические экраны, обладающие хорошей звукоотражающей способностью или высоким звукоизолирующим эффектом. Эти эффекты достигаются за счет того, что на низких частотах скорость звука в ГЖС может быть более чем на порядок ниже скорости звука в жидкости, не содержащей пузырей. В практике судостроения слои ГЖС чаще всего формируют вблизи твердых поверхностей корпуса, соприкасающихся с водой.

Другое применение слоев ГЖС связано с использованием их в задачах управления свойствами пограничного слоя корабля (снижение трения воды о твердую поверхность). Впервые идея снижения трения воды о твердую поверхность с помощью воздуха, вдуваемого в пограничный слой, была высказана Фрудом в 1875 году. В дальнейшем эта идея получила теоретическую базу в работах Л.Г. Лойцянского [1], в которой прогнозируется многократное уменьшение трения.

Во всех случаях предлагается создавать слой ГЖС вблизи поверхности подводной части судна посредством вдува воздуха в пристеночный слой воды. Следует иметь в виду, что газожидкостный пограничный слой, образующийся при вдуве в воду воздуха или какого-нибудь другого газа, является как звукоизолирующим средством, так и источником звука. Звукоизлучение систем, применяющихся для создания ГЖС, и турбулентного пограничного слоя, содержащего воздушные пузыри, активно исследовалось в середине прошлого века. В этих исследованиях было показано [2], что турбулентный

рос м>. <

'"НДЛЬНАЯ 'СКА

>-!>•>> РГ

пограничный слой является достаточно мощным источником звука, интенсивность которого растет пропорционально шестой степени скорости свободного потока. Наличие этого шума является отрицательным фактором, влияющим на работу различных гидроакустических систем.

Дальнейшее развитие вопросов, связанных с применением ГЖС для задач управления пограничным споем, получило в работе [3], где показано, что переход от ГЖС, содержащей достаточно крупные пузыри, к микропузырьковой ГЖС позволяет значительно повысить эффективность газонасыщения как средства уменьшения трения и акустического экранирования кораблей. Микропузырьковые ГЖС автоматически создаются посредством электролиза воды. Преимуществом этого способа создания ГЖС является так же то, что в данном случае отсутствует система вдувания газа в водную среду, следовательно, это приводит к уменьшению собственного звукоизлучения слоя ГЖС, но не устраняют его полностью. Пузыри, заполненные в основном водородом, зарождаются непосредственно на поверхности твердого тела (корпуса судна, внутреннего канала водометного магнитогидродинамического движителя и т д.), которое является катодом электролизера. Отрыв пузырей от поверхности приводит к динамическому возбуждению жидкой среды и, как следствие этого, к излучению звука. Подобный механизм излучения звука до сих пор не был изучен. Это и определило актуальность данной работы.

Предмет исследования. Исследуется процесс излучения звука водородными пузырями, отрывающимися от горизонтальной твердой поверхности катода электролизера воды Поэтапно рассматриваются рост и отрыв одиночного пузыря от поверхности, возбуждение колебаний пузыря и спектр его акустического излучения. С учетом распределения пузырей по радиусам определяются частотный диапазон и уровни излучения звука при электролизе воды.

Цель работы и задачи исследований. Целью работы являлось: на основе теоретических и экспериментальных

исследований процесса образования шума, сопровождающего электролиз воды, выявить закономерности формирования спектра излучения звука при работе электролизеров и использовать их для разработки новых методов расчета параметров спектра звукоизлучения и создания базы данных для выработки рекомендаций по снижению шумности электролизеров.

Для достижения этой цели поставлены задачи:

- исследовать процесс электролиза воды и выявить наиболее общие закономерности в работе электролизера как системы для создания ГЖС, так и источника шума;

- найти связь между основными параметрами, задающими режим работы электролизера воды, и параметрами акустического излучения, возникающего в процессе создания ГЖС;

- разработать физическую модель, описывающую рост и отрыв пузыря от поверхности катода, возбуждение в пузыре колебаний и излучение звука в момент его отрыва от поверхности;

- разработать линейную теорию излучения звука одиночным пузырем, отрывающимся от твердой горизонтальной поверхности;

- обосновать выбор распределения пузырей по радиусам, наиболее полно характеризующего процесс образования ГЖС, и найти основные параметры, позволяющие использовать это распределение для расчета шума процесса электролиза;

- разработать методику расчета спектра излучения звука, возникающего при электролизе воды;

- провести сопоставительный анализ результатов расчета и акустических измерений параметров излучения звука при электролизе воды.

Методы исследования. При решении поставленных в работе задач использовались методы линейной и физической акустики, операционное исчисление, прямое и обратное преобразование Фурье и другие математические методы, пакеты прикладных компьютерных программ Ма(Ьсаб-2001 и МаМетаНса v4.1. Обработка результатов измерений проводилась посредством программы, составленной в компьютерной программной среде /.зЫ/Уе и' б/.

Научная новизна работы.

1. Впервые теоретически и экспериментально исследован процесс излучения звука, возникающего при отрыве водородных пузырей от твердой поверхности катода при электролизе воды.

2. Создана физическая модель, на основе которой разработана линейная теория излучения звука одиночным пузырем, отрывающимся от горизонтальной твердой поверхности

3. Разработана методика расчета уровней и спектра излучения звука, возникающего в процессе электролиза воды, учитывающая распределение пузырей по радиусам и распространение звука в холодной двухфазной среде

4. Предложена методика экспериментального исследования спектрального состава шума отрыва пузырей от твердой поверхности в процессе электролиза воды

5. Дан подробный анализ результатов расчета и акустических измерений спектра излучения звука, возникающего при отрыве пузырей от твердой поверхности при электролизе воды, что позволило установить основные особенности формирования спектра излучения шума и возможность возникновения нелинейного излучения звука отрывающимися пузырями.

Практическая ценность работы Практическая ценность диссертационной работы состоит в том, что ее результаты позволяют:

- определить условия и способы применения холодных двухфазных сред, созданных посредством электролиза воды, в прикладных задачах гидроакустики и управления свойствами пограничного слоя судна;

разработать рекомендации по снижению шума электролизеров воды, входящих в состав судового оборудования;

- определить частотный диапазон и возможные уровни шума разрабатываемых систем электролиза воды;

организовать исследования процессов нелинейного излучения звука пузырями, отрывающимися от твердой поверхности в полупространство, заполненное холодной двухфазной средой.

Положения, выносимые на защиту.

На защиту выносятся:

1. Физическая модель отрыва и излучения звука одиночным пузырем, отрывающимся от горизонтальной твердой поверхности в жидкое полупространство.

2. Линейная теория излучения звука одиночным пузырем, отрывающимся от горизонтальной поверхности в жидкость, в основу которой положено предположение о том, что в момент отрыва пузыря от поверхности его поверхность совершает затухающие пульсационные колебания на основной частоте.

3. Методика расчета уровней и спектра излучения звука при электролизе воды.

4. Методика измерений уровней шума создаваемого пузырями, отрывающимися от горизонтальной твердой поверхности при электролизе воды.

5. Экспериментальное доказательство нелинейного излучения звука частью пузырей, создаваемых в процессе электролиза воды.

Апробация работы. Результаты, изложенные в диссертации, докладывались и обсуждались на Всероссийской НПК «200 лет образования ВВМИУ им. Ф.Э.Дзержинского», СПб, 1998; Юбилейной НТК, посвященной 100-летию СПбГМТУ, СПб, 1999; 3-ей международной конференции по морским интеллектуальным технологиям «МОРИНТЕХ-99», СПб, 1999; НТК «Проблемы мореходных качеств судов и корабельной гидромеханики, XXXIX Крыловские чтения» СПб, 1999; 7-ой Всероссийской научной конференции студентов- физиков и молодых ученых, ВНКСФ-7, СПбГУ, Екатеринбург-СПб, 2001; XI сессии российского акустического общества, М, 2001; 8-ой Всероссийской научной конференции студентов- физиков и молодых ученых, ВНКСФ-8, Екатеринбург, 2002; 6-ой международной конференции «Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики» СПб, 2002; НТК "Кораблестроительное образование и наука-2003" СПбГМТУ 2003; XIII сессии российского акустического общества, М,2001.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка цитируемой литературы и 4 приложений. Общий объем диссертации составляет 163 страницы, включая 43 рисунка, 3 таблицы и список литературы из 65 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность исследования акустических параметров процесса электролиза воды. Сформулированы цели работы и задачи исследования, указаны методы исследований, определены научная новизна и практическая ценность работы, основные положения, выносимые на защиту, и представлен перечень результатов, полученных в каждой главе.

Глава 1 Электролиз воды как метод образования холодных газожидкостных сред. Представлен обзор опубликованных работ, посвященных процессу электролиза воды, и проведен анализ особенностей протекания этого процесса. При этом особое внимание уделено изучению зависимости структуры образующейся Г"ЖС от параметров электролизера и условий протекания процесса с целью использования этих данных в экспериментальной части работы и получения параметров, необходимых для проведения акустических расчетов. Получены выражения, связывающие параметры режима работы электролизера с характеристиками образующихся в них ГЖС, для различных случаев практического применения.

Глава 2 Распространение и поглощение звука в газожидкостных средах. Изложен обзор используемых в линейной акустике подходов по описанию динамики в акустическом поле пузырей, характерные размеры которых меньше длины звуковой волны в жидкости. Приводится описание динамики сферических пузырей в звуковом поле, сформулированы уравнения, на которых базируется теория вынужденных колебаний пузыря.

Представлены данные и выражения, необходимые для расчета параметров пульсирующего пузыря, а именно: коэффициента жесткости, резонансной частоты, механического сопротивления, сопротивления излучения, соколеблющейся массы, добротности, коэффициента потерь акустической энергии и коэффициента затухания акустической энергии. Рассмотрены параметры, характеризующие пузырь как источник звука, такие как: импеданс, потенциал скорости, колебательная скорость и звуковое давление колеблющегося пузыря. С учетом специфики представленных параметров записано уточненное уравнение движения одиночного пузыря, совершающего пульсационные колебания в безграничной жидкости. Сформулированы особенности излучения звука пузырями, находящимися в непосредственной близости от твердой поверхности.

Рассмотрены подходы физической акустики к описанию особенностей распространения звуковых волн в холодных двухфазных средах и влияние ГЖС на параметры акустического излучения пузыря пульсирующего вблизи твердой поверхности. Используются современные методики [4] расчета дисперсионной кривой и частотной зависимости пространственного коэффициента затухания звука в двухфазной среде.

Глава 3 Исследование параметров акустического излучения, сопутствующего процессам образования и всплытия газовых пузырей. В первом разделе рассмотрены процессы отрыва и начальной стадии движения пузыря в жидкости. Записаны выражения для скорости отрыва и всплытия пузыря и проведен их сравнительный анализ. Представленное в литературе описание роста и отрыва газового пузыря от твердой горизонтальной поверхности, основанное на условиях образования паровых пузырей, позволило создать физическую модель, использование которой помогло найти время роста и скорость отрыва водородных пузырей от поверхности. В процессе рассмотрения выявлен важный факт, заключающийся в том, что ввиду малости времени излучения звука пузырем в момент его отрыва в первом приближении можно считать, что пузырь отрывается от поверхности с постоянной скоростью и0, определяемой с помощью выражения

ип = , (1)

где £о- параметр, величина которого определяется опытным путем, д- ускорение свободного падения, Я - радиус пузыря

Во втором разделе построена физическая модель акустического излучения, возникающего при отрыве одиночного пузыря от катода электролизера, и формулируются подходы к описанию физических основ этого процесса. Предполагается, что в момент отрыва пузыря его поверхность испытывает динамическое воздействие со стороны окружающей его жидкости. Возникающее при этом на границе раздела фаз гидродинамическое взаимодействие вызывает образование поля давлений и приводит к деформации и осцилляциям поверхности пузыря а, следовательно, к излучению звука. На базе этой модели построена линейная теория излучения звука одиночным пузырем, отрывающимся от поверхности катода. Предположение о равномерности движении пузыря на начальном этапе его всплытия позволило использовать для расчета акустического поля выражения, полученные Л.Д. Ландау [5] и описывающие поле скоростей, возникающее в жидкости при равномерном движении в ней жидкой сферы. На базе теории излучения звука движущейся жидкой сферой решена модельная задача об излучении звуковой волны сферическим пузырем, начинающим движение от поверхности твердой стенки и излучающим в пузырьковое облако. Согласно решению этой задачи поле давления, возникающее в жидкости в результате отрыва пузыря от твердой поверхности, описывается выражением

р = -реип ^^ ехр[- ах + к{г - /?)]8Ш

оЯ-к(г-К)- —

■(2)

р - плотность жидкости, с - скорость звука в жидком пространстве, ^ = со - частота излучаемого звука,

к = 0)/=1/ /с /К

волновое число, г - расстояние от начала

координат, выбранного в центре сферы. Используя выражение (2) закон изменения давления от времени на поверхности пузыря записываем следующим образом

0 = -рсУ(,у[2 ехр(-ш)$лп

О)

Из формулы (3) видно, что в момент начала движения пузыря на его поверхность действует знакопеременный импульс давления представляющий собой сильно затухающее гармоническое колебание (рисунок 1). Из рисунка видно, что в момент отрыва действующее на пузырь давление стремится его сжать, а затем наступает промежуток времени в течении которого размеры пузыря увеличиваются. Под действием этого импульса поверхность пузыря начинает совершать пульсационные колебания.

I, с «Ю-7

Рис 1. Зависимость давления на поверхности жидкого шара радиуса Я=50 мкм от времени.

Построенная физическая модель позволила получить спектральное представление излучаемого шума и провести его анализ с учетом отличия характеристик двухфазной жидкости от чистой воды. Расчеты показали, что в момент отрыва пузырь излучает акустическую волну, основная часть энергии которой относится к излучению звука на собственной пульсационной частоте си0, величина которой зависит от радиуса пузыря.

В третьем разделе приведено рассмотрение представленных в литературе основных параметров всплывающих в жидкости пузырей, установлены особенности изменения резонансных характеристик пузырей по мере всплытия и, таким образом,

завершено описание динамики пузырей, необходимое для достижения поставленной в работе цели. Показано, что интенсивность шума, сопровождающего электролиз, в любой точке пространства должна находиться путем суммирования интенсивностей, по крайней мере, трех процессов: излучения при отрыве, переизлучения акустических волн всплывающими пузырями и сигнала от пузырей, разрывающихся на поверхности. Это привело к необходимости поиска схемы измерений, позволяющей выделить сигнал отрывающихся пузырей от общего фона электролизного шума.

В четвертом разделе главы произведен выбор оптимальной структуры измерительной установки (рисунок 2) Согласно этой схеме электролизер должен иметь электроды в виде колец, а приемник звука должен быть помещен в центре этой системы в плоскости рабочей поверхности катода ниже нижнего уровня Г~ЖС. Выбранная схема измерений позволяет не только защитить гидрофон от внешних помех, но обеспечивает определенность физических параметров, необходимых для расчета уровней звукового излучения, и максимальное превышение полезного сигнала над уровнем помех.

Рис. 2 Схема оптимальной формы электролизера для исследования уровня шума пузырей, отрывающихся от поверхности катода.

На основе имеющихся в литературе данных построена структурная схема системы отрывающихся от поверхности катода пузырей и показано, что распределение пузырей по размерам при электролизе воды описывается функцией типа статистического распределения Пуассона

ЩЯ)= ^ (х2 —У2 ехр(-—хХ (4)

где Л/(Я?) - число пузырей заданного радиуса в промежутке значений радиусов от Я до Я + с/Я, Л/5 - число пузырей, отрывающихся от поверхности катода за некоторый фиксированный промежуток времени Ж, - текущий радиус пузырей, Я, - наиболее вероятный радиус, х2 - коэффициент, регулирующий полноту формы распределения.

С учетом особенностей схемы измерений и выбранного распределения пузырей по радиусам сформулированы и теоретически обоснованы основные положения метода расчета звукового излучения, сопровождающего отрыв пузырей от твердой поверхности при электролизе воды как системы невзаимодействующих источников звука. Реализация этого метода произведена в среде программного продукта Ма^саб-2001. Создана программа, состоящая из четырех циклов. В первом цикле рассчитывается звуковое давление, создаваемое одиночным сферическим пузырем радиуса й на поверхности источника по формуле, учитывающей наличие затухания в пузырьковой смеси и влияние границы Г"ЖС - вода

/>*.(') = а, А )ехрг(<у0? - к{гх + (р,), (5)

где Б(/) - коэффициент прозрачности границы ГЖС - вода по давлению, к= соь1си с-\ - скорость звука в «чистой» воде, ш0 -собственная частота пузыря, <Эа = 4яЯ2-у$(0 - производительность источника звука, vs(t) - радиальная составляющая колебательной скорости поверхности пузыря, Аг, = г, - г, - расстояние, которое проходит волна в ГЖС, г, - расстояние от центра пульсирующего пузыря до поверхности приемника звука, ^ - внутренний радиус кольца катода, р, с, Я - соответственно плотность, скорость звука и длина волны в ГЖС, ап - пространственный коэффициент

затухания звуковой волны в ГЖС, <р, - начальная фаза Во втором цикле использовалось распределение Пуассона для определения числа пузырей с заданными значениями радиуса Я. В третьем цикле для каждого набора пузырей Л/к рассчитывалось усредненное по заданному промежутку времени Дf средне-квадратическое значение звукового давления

где Л/я - количество пузырей с радиусами от А? до Я? + 6Я, рЙ1 -

среднеквадратическое значение звукового давления, создаваемого одиночным пузырем радиуса Я. В четвертом цикле строилась зависимость усредненного по времени значение звукового давления от частоты с учетом того факта, что в линейном приближении рассматриваемой задачи пузырь излучает только на собственной частоте.

Рассмотрен пример использования разработанного метода для теоретических расчетов спектра излучения звука поверхностью катода одного из образцов электролизера Сформулированы методические и технологические особенности построения экспериментального электролизера и задачи акустических исследований.

Глава 4 Экспериментальное исследование параметров акустического излучения, возникающего при электролизе воды. Первый раздел посвящен исследованию физических аспектов образования ГЖС с помощью электролизера выбранной конструкции (рисунок 2). Здесь также описаны структура и параметры электролизной установки. Параметры электролизера: электроды были выполнены из нержавеющей стали в виде концентрических колец с внешним диаметром 40,0 мм. Анод имел внутренний диаметр кольца - 30,0 мм и располагался над катодом, внутренний диаметр которого составлял 20,0 мм Режим работы электролизера: напряжение на электродах (7=50 В, плотность тока /' =1,9 кА/м2. Основной акцент сделан на определении параметров получаемой пузырьковой пелены, используемых впоследствии в обработке результатов измерений уровня шума. При выбранном режиме работы электролизера получили- размеры получаемых пузырей (минимальное значение

(6)

Rmn = 43 мкм, максимальное значение Rmax = 450 мкм, наиболее вероятное значение R1 = 150 мкм), объемную концентрацию газовой фазы в пелене р = 6,3-10"3, дисперсионную кривую и частотную зависимость пространственного коэффициента затухания звука в получаемой ГЖС. Использование этих данных позволило построить функцию распределения пузырей по размерам (4), вид которой представлен на рисунке 3.

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

R, мкм

Рис 3 Распределение пузырей в ГЖС по размерам Второй раздел четвертой главы диссертации посвящен экспериментальному исследованию акустического излучения, сопровождающего процесс отрыва пузырей от поверхности катода, и получению спектра этого излучения. Приведено описание экспериментальной установки и процесса измерений. Процесс измерений был разбит на две части. Предварительно, для уточнения частотного диапазона и уровней полезного сигнала в спектре излучения пузырей, были проведены измерения частотной зависимости среднеквадратических значений амплитуд интегрального шума в 1/3 октавном спектре. Затем измерения проводились в узкополосном спектре. Показания снимались в диапазоне 1.. 100 кГц. Результаты представлялись в виде частотного спектра уровня звукового излучения отрывающихся пузырей, выраженного в дБ по давлению относительно порогового значения рп = 2,0-105 Па. Разработанная нами

методика измерений и используемая для этой цели аппаратура позволили надежно регистрировать и обрабатывать полезный сигнал в изучаемом диапазоне частот.

Сопоставление результатов расчета и измерений уровней шума, излучаемого пузырями, отрывающимися от горизонтальной твердой поверхности катода при электролизе воды, показано на рисунке 4. Согласно линейной теории расчета спектра излучения звука при отрыве пузырей от катода при выбранном режиме работы электролизера должно наблюдаться звукоизлучение в диапазоне частот от 7,5 до 78,6 кГц, так как радиусы пузырей, *

входящих в состав ГЖС, относятся к интервалу от 43 до 450 мкм. Однако, излучение звука имеет место в более широком диапазоне частот. Кроме того, в спектре излучения имеется ряд четко выраженных максимумов, наличие которых также не предсказывается теорией.

ч ц

ч 5

/К

V > \>

л]

ЧМ8

О 10000 20000 30000 40000 50000 60000 70000 80000 90000

Ь Гц

----уровень помех -результат измерения

— - — • результат расчета при £о 0,3 - - - результат расчета при £о 0,5

Рис 4 Сопоставление результатов расчета и измерений уровней шума, излучаемого пузырями, отрывающимися от горизонтальной поверхности катода при электролизе воды

Для выяснения причин возникновения этих отклонений воспользовались результатами теоретического исследования процессов нелинейного излучения звука пузырем, возбуждаемым плоской гармонической волной большой амплитуды [6]. Согласно [6] с ростом амплитуды давления волны изменяются характер и спектр излучения пузыря. При малых значениях амплитуды давления колебания пузыря и его излучение носят линейный характер, но при достижении некоторого порогового значения амплитуды при в целом линейных колебаниях пузыря излучение звука становится нелинейным. При дальнейшем увеличении амплитуды давления колебания пузыря становятся полностью нелинейными и в его спектре формируются вторая и высшие гармоники Если же амплитуда давления в волне достигает 0,94Ро, где Р0 - давление газа в пузыре, то в спектре излучения пузыря начинают формироваться субгармоники.

Для проведения анализа результатов измерений и сопоставления условий силового воздействия на пузыри в момент их отрыва от поверхности была опредепена амплитуда начальной силы, действующей на поверхность пузыря за счет начального импульса давления

= (7>

где Бь - площадь поверхности пузыря, р0/?(/Ь) - частотная зависимость амплитуды начального импульса давления (3) при Г = О, /Ь ~ собственная пульсационная частота пузыря. Анализ результатов измерений (рисунок 4) показывает, что, если в момент отрыва сила ^ Р5пор = 0,04 мН, то излучение пузыря подчиняется линейной теории. Этому условию соответствуют пузыри, имеющие радиусы от 43,0 до 77,0 мкм и излучающие на частотах от 44,0 до 78,6 кГц При дальнейшем увеличении силы, когда выполняется условие £ 0,16 мН, спектр, излучаемого пузырем звука, становится линейчатым и содержит гармоники основной частоты, амплитуды которых уменьшаются с ростом частоты. Этому условию соответствуют пузыри, имеющие радиусы более 94,0 мкм и излучающие на частотах ниже 36,0 кГц. Если же сила, действующая на пузырь, становится £ 0,50 мН, то пузыри, имеющие собственные пульсационные частоты ниже 28,0 кГц, должны содержать в спектре излучения и гармоники и субгармоники. Не трудно заметить, что для самых крупных

пузырей величина = 50,0 мН, то есть амплитуда начальной силы, действующей на пузырь, на четыре порядка больше значения Г3пор. Этим можно объяснить тот факт, что излучение звука при работе электролизера имеет место в более широком диапазоне частот, чем это предсказывает линейная теория. Расширение спектра обусловлено нелинейным характером излучения звука свойственным наиболее крупными пузырями (с радиусами от 77 до 450 мкм), образующимся при электролизе воды. При этом на частотах ниже 7,5 кГц излучение звука обеспечивается наличием субгармоник в спектре излучения самых крупных пузырей, а на частотах выше 78,6 кГц звукоизлучение связано с наличием второй и более высоких гармоник в спектрах излучения пузырей, радиусы которых больше 77 мкм.

Расхождение между расчетом и экспериментальными данными в диапазоне частот от 7,5 до 18,0 кГц (рисунок 4) можно пояснить следующим образом. На этих частотах результаты расчета превышают результаты измерений на 7... 10 дБ. При проведении расчетов мы полагали, что оторвавшийся от поверхности катода пузырь излучает звук только на частоте основной пульсационной моды. Однако измерения показывают, что кроме основной частоты излучение звука имеет место на субгармониках и на гармониках пузырей. Перераспределение акустической энергии между основной частотой и остальными частотными составляющими спектра излучения пузыря должно неизбежно приводить к уменьшению излучения на его основной частоте, что и отмечается при измерениях.

В заключении содержатся выводы и кратко сформулированные основные результаты, полученные в диссертации.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

гидроакустики. Найдены выражения устанавливающие связь между параметрами, характеризующими режимы работы электролизеров, и акустическими свойствами ГЖС, создаваемыми этими электролизерами.

2 Рассмотрена линейная теория взаимодействия плоских гармонических волн с одиночными газовыми пузырями, взвешенными в безграничной жидкости Исследованы особенности излучения звука пузырем, находящимся в жидкой среде вблизи твердой стенки. Проанализированы методы расчета дисперсионной кривой и частотной зависимости пространственного коэффициента затухания плоских гармонических волн, распространяющихся в ГЖС состоящей из пузырей различного радиуса.

3 Разработана физическая модель излучения звука газовыми пузырями, отрывающимися в жидкое полупространство от бесконечной твердой горизонтальной поверхности. При построении модели рассмотрены процессы роста пузыря на поверхности, отрыв пузыря от поверхности, воздействие на пузырь импульса давления, излучение звука, свободное всплытие пузыря в жидкости

4 Опираясь на решение задачи о начале движения в безграничной жидкости жидкой сферической капли, имеющей постоянную скорость, получено выражение для расчета импульса давления действующего на одиночный пузырь в момент его отрыва от горизонтальной твердой поверхности. Построена линейная теория излучения звука отрывающимся пузырем, в основу которой положено предположение о пульсационном характере движении поверхности пузыря на собственной частоте нулевого порядка.

5 Разработана методика расчета параметров излучения звука в процессе работы электролизера воды для случая, когда создаваемая электролизером ГЖС характеризуется распределением пузырей по радиусам. Показано, что для решения поставленной задачи наиболее приемлемым распределением пузырей по радиусам является распределение Пуассона.

6 Разработан метод измерения уровней излучения звука при отрыве пузырей от твердой горизонтальной поверхности катода в процессе электролиза воды. При этом форма электродов

электролизера, их пространственная ориентация и положение приемника звука выбраны таким образом, чтобы обеспечить максимальное превышение полезного сигнала над уровнем помех.

7 В ходе акустических измерений было установлено, что при превышении порогового значения силы, действующей на пузырь в момент его отрыва от поверхности катода, пузырь начинает совершать нелинейные затухающие колебания В спектре излучения появляются гармонические составляющие и при дальнейшем увеличении амплитуды силы возбуждения появляются субгармоники основной частоты.

8 Сопоставление результатов измерений и расчетов позволило установить, что частотный диапазон излучения звука в процессе электролиза воды шире по сравнению с диапазоном, предсказываемым линейной теорией излучения звука пузырями, отрывающимися от твердой поверхности, и, кроме того, в спектре излучения имеются характерные максимумы излучения. Физическая модель излучения звука пузырями, отрывающимися от твердой горизонтальной поверхности, позволяет правильно рассчитать параметры импульса давления, действующего на поверхность пузыря в момент его отрыва во всем диапазоне частот.

10 Физическая модель излучения звука пузырями, отрывающимися от твердой поверхности, и полученные на ее основе методы расчета могут быть использованы не только для оценки шумности электролизеров воды, но и других технических устройств, в процессе работы которых наблюдается образование на твердых стенках пузырей любой физической природы.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Воронина Н.Г., Легуша Ф.Ф. К вопросу о расчете скорости звука в двухфазных средах на основе водород-вода. -Всероссийская ИПК «200 лет образования ВВМИУ им Ф.Э.Дзержинского», СПб, 1998, с.217-219.

2. Воронина Н.Г., Легуша Ф.Ф. Изменение акустических параметров одиночного водородного пузыря, всплывающего в морской воде. - Юбил. НТК, посвященная 100-летию СПбГМТУ, СПб, 1999, с. 64-69.

3. Воронина Н.Г., Исаков Н.Я., Легуша Ф Ф. Применение холодных двухфазных сред на основе морской воды и водорода для звукоизоляции гидроакустических шумов. - 3-я МНК по морским интеллектуальным технологиям «МОРИНТЕХ-99», СПб, 1999, с. 133.

4. Воронина Н.Г., Легуша Ф.Ф. Звукоизоляция высокочастотных гидроакустических шумов с помощью пузырьковой пелены.- НТК «Проблемы мореходных качеств судов и корабельной гидромеханики, XXXIX Крыловские чтения», СПб, 1999, с. 136-137

5. Воронина Н Г. Излучение звука газовым пузырем, всплывающим в жидкой среде. 7- ая Всерос. науч. конф. студентов- физиков и молодых ученых, - ВНКСФ-7, СПбГУ, Екатеринбург-СПб, 2001, с. 291-292.

6. Воронина Н.Г., Легуша Ф.Ф. Изменение амплитуды колебаний пузыря при его всплытии из глубины на поверхность. - XI сессия РАО, Сборник трудов том 1 М.: ГЕОС, 2001, с. 49.-52.

7. Воронина Н.Г., Легуша Ф.Ф. Излучение звука газовым пузырем при его отрыве от поверхности твердого тела. - XI сессия РАО, Сборник трудов том 1 М.: ГЕОС, 2001, с. 52.-55

8. Воронина Н.Г Исследование процессов всплытия газового пузыря. - 8-ая Всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых ученых,- ВНКСФ-8, Екатеринбург, 2002, с 297-298.

9. Воронина Н.Г. Колебания газового пузыря в поле звуковой волны. - 8-ая Всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых ученых,- ВНКСФ-8, , Екатеринбург, 2002, с. 299-300.

10. Воронина Н.Г., Легуша Ф.Ф. Излучение звука пузырями, всплывающими в жидкости - 6-я международная конф

«Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики» СПб, 2002, с. 184-189.

11. Воронина Н.Г., Ливеров B.C. Экспериментальные исследования параметров процесса электролиза воды. - НТК "Кораблестроительное образование и наука-2003" СПбГМТу 2003 г с. 7-12.

12. Воронина Н.Г. Результаты экспериментального исследования акустических параметров газожидкостных смесей. - НТК "Кораблестроительное образование и наука", СПбГМТУ, 2003 г с.13-16.

13. Воронина Н.Г., Легуша Ф.Ф., Ливеров B.C. Расчет спектра излучения звука водородными пузырями при их отрыве от поверхности твердого тела в процессе электролиза воды. - XIII сессия РАО, Сборник трудов т. 1 М.: ГЕОС, 2003, с. 141-144.

СПИСОК ЦИТИРУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1 Лойцянский Л.Г. Об изменении сопротивления тел путем заполнения пограничного слоя жидкостью с другими физическими константами. - ПММ, 1942, № 1, с. 28-35.

2. Наугольных К.А., Рыбак С.А. Нелинейные акустические явления в двухфазном пограничном слое. - В кн.: Нелинейная акустика. Теоретические и экспериментальные исследования. - Горький: Из-во ИПФ СССР, 1980, с. 161-175.

3. Барбанель Б.А., Богдевич В.Г., Мальцев Л.И., Малюга А.Г. Некоторые практические приложения теории управления пограничным слоем. - СПб: Из-во СМБМ «Малахит», 1994. - 47 с.

4. Алексеев В.Н., Рыбак С.А. Влияние распределения пузырьков по размерам на распространение звука в средах с резонансной дисперсией. - А.Ж., 1997, т.43, № 6, с. 730-736.

5. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика: т.\/1, Гидродинамика. - М.: Наука, 1988.-736с.

6. Ильичев В.И., Корец В.Л., Мельников Н.П. Акустическое излучение одиночного неподвижного пузырька при периодических пульсациях/- А.Ж., т. 39, вып. 1, 1993, с. 101-107.

Подписано в печать 11.05.2004 Зак. 2647 Тир 100. 1,1 печ л. ИЦ СПбГМТУ, Лоцманская, 10

РНБ Русский фонд

2006-4 12932

?з. :

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата физико-математических наук, Воронина, Наталия Геннадьевна

Введение.

1 Электролиз воды как метод образования холодных газожидкостных сред.

1.1 Расчет электролизной установки.

1.2 Расчет объема выделяющихся газов.

1.3 Размеры пузырей, выделяющихся при электролизе воды.

Выводы по первой главе.

2 Распространение и поглощение звука в газожидкостных средах.

2.1 Уравнение движения пузыря.

2.2 Коэффициент жесткости пузыря.

2.3 Эквивалентная масса пузыря.

2.4 Собственная частота колебаний пузыря.

2.5 Механическое сопротивление, коэффициент потерь и добротность пузыря.

2.6 Газовый пузырь как пульсирующая сфера.

2.7 Особенности излучения звука пузырем, отрывающимся от твердой поверхности.

2.8 Дисперсия скорости звука и затухание в ГЖС.

Выводы по второй главе.

3 Исследование параметров акустического излучения, сопутствующего процессам отрыва газовых пузырей от поверхности электрода.

3.1 Исследование процессов отрыва и всплытия на поверхность жидкости пузырей, образованных методом электролиза воды.

3.1.1 Механизм отрыва пузыря и скорость начальной стадии движения.

3.1.2 Скорость всплытия одиночного пузыря.

3.2 Исследование акустического излучения, возникающего при отрыве пузыря от твердой стенки.

3.2.1 Излучение звука жидкой сферой, двигающейся в безграничной жидкости.

3.2.2 Излучение звука пузырем, отрывающимся от горизонтальной твердой поверхности.

3.2.3 Определение колебательной скорости поверхности пузыря методом Фурье преобразований.

3.2.4 Особенности излучения звука одиночным пузырем, отрывающимся от твердой поверхности, в ГЖС.

3.3 Колебания пузыря в поле звуковой волны при его всплытии из глубины на поверхность.

3.3.1 Изменение физических параметров газового пузыря при его всплытии к поверхности жидкости.

3.3.2 Изменение амплитуды колебаний одиночного пузыря при его всплытии.

3.4 Расчет спектра акустического излучения, возникающего при отрыве пузырей от поверхности катода при электролизе воды.

3.4.1 Расчет основных параметров распределения водородных пузырей в пелене.

3.4.2 Выбор схемы проведения экспериментальных исследований процесса излучения звука пузырями, отрывающимися от твердой поверхности.

3.4.3 Расчет спектра излучения, создаваемого водородными пузырями, отрывающимися от твердой поверхности.

Выводы по третьей главе.

4 Исследования параметров акустического излучения, сопутствующего процессам отрыва газовых пузырей от поверхности электрода.

4.1 Экспериментальное исследование процесса электролиза воды и оценка параметров получаемой газожидкостной смеси.

4.1.1 Описание электролизной установки.

4.1.2 Расчет объема выделяющихся газов и концентрации газовой фазы в облаке.

4.1.3 Построение функции распределения пузырей по размерам.

4.1.4 Дисперсия скорости звука и пространственный коэффициент затухания в ГЖС.

4.2 Экспериментальное исследование параметров акустического излучения, возникающего при электролизе воды.

4.2.1 Описание экспериментальной установки.

4.2.2 Процесс измерений.

4.2.3 Измерения узкополосного спектра.

4.2.4 Анализ результатов измерений узкополосого спектра излучения звука.

4.2.5 Сопоставление результатов расчета и измерений уровней шума электролизера воды.

Выводы по четвертой главе.

Введение диссертация по физике, на тему "Исследование спектра звукового излучения процесса электролиза воды"

В гидроакустике электролиз воды используется для получения газожидкостных смесей (ГЖС), представляющих собой слой воды, содержащей водородные пузыри. По общей классификации, подобные ГЖС относятся к холодным двухфазным средам. Слои ГЖС обычно используются как акустические экраны, обладающие хорошей звукоотражающей способностью или высоким звукоизолирующим эффектом. Эти эффекты достигаются тем, что на низких частотах скорость звука в ГЖС может быть более чем на порядок ниже скорости звука в жидкости, не содержащей пузырей. Другое применение слоев ГЖС связано с использованием их в задачах управления свойствами пограничного слоя корабля (снижение трения воды о твердую поверхность).

В практике судостроения слои ГЖС чаще всего формируют вблизи твердых поверхностей корпуса, соприкасающихся с водой. Так, например, снижение низкочастотных вибраций корпусных конструкций, возбуждаемых гребным винтом через воду, может быть обеспечено посредством вдува между корпусом и винтами воздушных пузырей, которые образуют слой ГЖС (пелену) вблизи поверхности кормовой части судна [1-3]. В результате снижения уровня вибраций корпусных конструкций наблюдается снижение уровней шума в кормовых помещениях судна. Для исключения звукоизлучения с поверхности подводной части судна в воду вблизи поверхности днища создают слой ГЖС [4], который может покрывать как всю эту поверхность, так и ее отдельный участок, характеризующийся наибольшей вибрационной активностью поверхности корпуса.

Альтернативным способом создания слоя ГЖС между работающим гребным винтом и поверхностью корпуса судна является вдувание воздуха через вентиляционные трубы, установленные непосредственно в плоскости винта [5]. Таким образом, винт оказывается окруженным звукопоглощающим I I пузырьковым слоем, а система характеризуется минимальным расходом воздуха.

Впервые идея снижения трения воды о твердую поверхность с помощью воздуха, вдуваемого в пограничный слой, была высказана Фрудом в 1875 году. В дальнейшем эта идея получила теоретическую базу в работах Л.Г.Лойцянского и К.К.Федяевского [6, 7], в которых прогнозируется многократное уменьшение трения.

Во всех случаях, рассмотренных выше [1 - 7], предлагается создавать слой ГЖС вблизи поверхности подводной части судна посредством вдува воздуха в пристеночный слой воды. Следует иметь в виду, что газожидкостный пограничный слой, образующийся при вдуве в воду воздуха или какого-нибудь другого газа, является как звукоизолирующим средством, так и источником звука. Звукоизлучение систем, применяющихся для создания ГЖС, и турбулентного пограничного слоя, содержащего воздушные пузыри, активно исследовалось в середине прошлого века. В этих исследованиях было показано (см., например, работы [8, 9]), что турбулентный пограничный слой является достаточно мощным источником звука, интенсивность которого растет пропорционально шестой степени скорости свободного потока. Наличие этого шума является отрицательным фактором, влияющим на работу различных гидроакустических систем.

Дальнейшее развитие вопросов, связанных с применением ГЖС для задач управления пограничным слоем, получило в работах [10, 11], где показано, что переход от ГЖС, содержащей достаточно крупные пузыри, к микропузырьковой ГЖС позволяет значительно повысить эффективность газонасыщения как средства уменьшения трения и акустического экранирования кораблей. Кроме того, в этой же работе предложен способ снижения шумности системы вдувания газа в водную среду.

В последние годы электролиз воды получил новое применение в морской технике. Это связано с разработкой и внедрением магнитогидродинамических движителей (МГД), работающих на морской воде [12, 13, 14, 15, 16]. В таких движителях упор создается за счет взаимодействия сильного магнитного поля, создаваемого сверхпроводящим магнитом, с электрическим током, протекающим через морскую воду и создаваемым в ней путем электролиза; воды. Считается, что уровень шума и вибраций, создаваемых МГД движителем должен быть значительно ниже традиционных водометных движителей за счет отсутствия в них редуктора и винта. Однако подробного исследования акустических характеристик МГД движителей, достаточного для сравнения с аналогичными параметрами традиционных водометных движителей, нет, а появившиеся недавно работы [14, 15], не охватывают всех аспектов акустики МГД движителей.

Согласно исследованиям, результаты которых приводятся в работе [10], микропузырьковой ГЖС, можно считать жидкость, содержащую пузыри, имеющие радиус R <150 мкм. Этому условию автоматически удовлетворяет способ создания ГЖС, основанный на электролизе воды [17]. Преимуществом этого способа создания ГЖС является так же то, что в данном случае отсутствует система вдувания газа в водную среду, следовательно, это приводит к уменьшению собственного звукоизлучения слоя ГЖС, но не устраняют его полностью. Пузыри, заполненные в основном водородом, зарождаются непосредственно на поверхности твердого тела (корпуса судна и внутреннего канала водометного МГД движителя), которое является катодом электролизера. Отрыв пузырей от поверхности приводит к динамическому возбуждению жидкой среды и, как следствие этого, к излучению звука. Подобный механизм излучения звука до сих пор не был изучен. Это и определило актуальность данной работы.

В работе исследуется процесс излучения звука водородными пузырями, отрывающимися от горизонтальной твердой поверхности катода электролизера воды. Поэтапно рассматриваются рост и отрыв одиночного пузыря от поверхности, возбуждение колебаний пузыря и спектр его акустического излучения. С учетом распределения пузырей по радиусам определяются частотный диапазон и уровни излучения звука при электролизе воды.

Цель работы состояла в том, чтобы на основе теоретических и экспериментальных исследований процесса образования шума, сопровождающего электролиз воды, выявить закономерности формирования спектра излучения звука при работе электролизеров и использовать их для разработки новых методов расчета параметров спектра звукоизлучения и создания базы данных для выработки рекомендаций по снижению шумности электролизеров.

Для достижения этой цели поставлены задачи:

- исследовать процесс электролиза воды и выявить наиболее общие закономерности в работе электролизеров как системы для создания ГЖС, так и источника шума;

- разработать методику расчета спектра излучения звука, возникающего при электролизе воды;

При решении поставленных в работе задач использовались методы линейной и физической акустики, операционное исчисление, прямое и обратное преобразование Фурье и другие математические методы, пакеты прикладных компьютерных программ Mathcad-2001 и Mathematica v.4.1. Обработка результатов измерений проводилась посредством программы, составленной в компьютерной программной среде Lab View 6i.

В диссертации впервые теоретически и экспериментально исследован процесс излучения звука, возникающего при отрыве водородных пузырей от твердой поверхности катода при электролизе воды.

В процессе работы создана физическая модель, на основе которой разработана линейная теория образования звука, излучаемого одиночным пузырем, отрывающимся от горизонтальной твердой поверхности. Разработана методика расчета уровней и спектра излучения звука, возникающего в процессе электролиза воды, учитывающая распределение пузырей по радиусам и распространение звука в холодной двухфазной среде. Предложена методика экспериментального исследования спектрального состава шума отрыва пузырей от твердой поверхности в процессе электролиза воды. Дан подробный анализ результатов расчета и акустических измерений спектра излучения звука, возникающего при отрыве пузырей от твердой поверхности при электролизе воды, что позволило установить основные особенности формирования спектра излучения шума и возможность возникновения нелинейного излучения звука отрывающимися пузырями.

Практическая ценность диссертационной работы состоит в том, что ее результаты позволяют:

- разработать рекомендации по снижению шума электролизеров воды, входящих в состав судового оборудования; определить частотный диапазон и возможные уровни шума разрабатываемых систем электролиза воды;

- организовать исследования процессов нелинейного излучения звука пузырями, отрывающимися от твердой поверхности в полупространство, заполненное холодной двухфазной средой.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и четырех приложений.

Заключение диссертации по теме "Акустика"

Основные результаты диссертации опубликованы в работах: I

1. Воронина Н.Г., Легуша Ф.Ф. К вопросу о расчете скорости звука в двухфазных средах на основе водород-вода.- Всероссийская НПК «200 лет ВВМИУ им. Ф.Э.Дзержинского», СПб, 1998, с.217-219.

2. Воронина Н.Г., Легуша Ф.Ф. Изменение акустических параметров одиночного водородного пузыря, всплывающего в морской воде.-Юбилейная НТК, поев. 100-летию СПбГМТУ, СПб, 1999, с. 64-69.

3. Воронина Н.Г., Исаков Н.Я., Легуша Ф.Ф. Применение холодных двухфазных сред на основе морской воды и водорода для звукоизоляции гидроакустических шумов. - 3-я МНК по морским интеллектуальным технологиям «МОРИНТЕХ-99», СПб, 1999, с. 133.

4. Воронина Н.Г., Легуша Ф.Ф. Звукоизоляция высокочастотных гидроакустических шумов с помощью пузырьковой пелены. - НТК «Проблемы мореходных качеств судов и корабельной гидромеханики, XXXIX Крыловские чтения», СПб, 1999, с. 136-137.

5. Воронина Н.Г. Излучение звука газовым пузырем, всплывающим в жидкой среде. - ВНКСФ-7, СПбГУ, Екатеринбург - СПб, 2001, с. 291292.

6. Воронина Н.Г., Легуша Ф.Ф. Изменение амплитуды колебаний пузыря при его всплытии из глубины на поверхность.- XI сессия РАО, Сб. трудов т. I, М.: ГЕОС, 2001, с. 49-52.

7. Воронина Н.Г., Легуша Ф.Ф. Излучение звука газовым пузырем при его отрыве от поверхности твердого тела.- XI сессия РАО, Сб. трудов т. I, М.: ГЕОС, 2001, с. 52-55.

8. Воронина Н.Г. Исследование процессов всплытия газового пузыря. -ВНКСФ-8, Екатеринбург, 2002, с. 297-298.

9. Воронина Н.Г. Колебания газового пузыря в поле звуковой волны. -ВНКСФ-8, Екатеринбург, 2002, с. 299-300.

10. Воронина Н.Г., Легуша Ф.Ф. Излучение звука пузырями, всплывающими в жидкости.- 6-ая МНПК «Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики», СПб, 2002, с. 184-189.

11. Воронина Н.Г., Ливеров B.C. Экспериментальные исследования параметров процесса электролиза воды.- НТК "Кораблестроительное образование и наука-2003", СПбГМТУ, 2003, с. 7-12.

12. Воронина Н.Г. Результаты экспериментального исследования акустических параметров газожидкостных смесей.- НТК "Кораблестроительное образование и наука-2003", СПбГМТУ, 2003, с. 13-16.

13. Воронина Н.Г., Легуша Ф.Ф., Ливеров B.C. Расчет спектра излучения звука водородными пузырями при их отрыве от поверхности твердого тела в процессе электролиза воды. - XIII сессия РАО, Сб. трудов, т. 1 М.: ГЕОС, 2003, с. 141-144.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

I l .i

В заключение сформулируем основные результаты, полученные в рамках диссертационной работы:

1 Проведен анализ работы электролизеров воды, используемых на практике для обеспечения технологических процессов получения кислорода и водорода, а также для создания холодных двухфазных сред, находящих применение в различных задачах судостроения и в первую очередь в задачах гидроакустики. Найдены выражения устанавливающие связь между параметрами, характеризующими режимы работы электролизеров, и акустическими свойствами ГЖС, создаваемыми этими электролизерами.

2 Рассмотрена линейная теория взаимодействия плоских гармонических волн с одиночными газовыми пузырями, взвешенными в безграничной жидкости. Исследованы особенности излучения звука пузырем, находящимся в жидкой среде вблизи твердой стенки. Проанализированы методы расчета дисперсионной кривой и частотной зависимости пространственного коэффициента затухания плоских гармонических волн, распространяющихся в ГЖС состоящей из пузырей различного радиуса.

6 Разработан метод измерения уровней излучения звука при отрыве пузырей от твердой горизонтальной поверхности катода в процессе электролиза воды. При этом форма электродов электролизера, их пространственная ориентация и положение приемника звука выбраны таким образом, чтобы обеспечить максимальное превышение полезного сигнала над уровнем помех.

7 В ходе акустических измерений было установлено, что при превышении порового значения силы, действующей на пузырь в момент его отрыва от поверхности катода, пузырь начинает совершать нелинейные затухающие колебания В спектре излучения появляются гармонические составляющие и при дальнейшем увеличении амплитуды силы возбуждения появляются субгармоники основной частоты.

9 Линейная теория излучения звука отрывающимся пузырем и основанная на ней методика расчета уровней звука, создаваемого электролизером воды, позволяет правильно предсказать тенденцию изменения уровней шума на низких частотах и дает хорошие количественные результаты на высоких частотах, когда возбуждение нелинейных колебаний пузырей невозможно. Физическая модель излучения звука пузырями, отрывающимися от твердой поверхности, и полученные на ее основе методы расчета могут быть использованы не только для: оценки шумности электролизеров воды, но и других технических устройств, в процессе работы которых наблюдается образование на твердых стенках пузырей, любой физической природы.

Список источников диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Воронина, Наталия Геннадьевна, Санкт-Петербург

1. Справочник по строительной механике корабля. Т. 3. Л.: Судпромгиз, 1960.

2. Satt att damper buller fran fartygsppropellar. Шведский патент № 322705. B63 21/30, 1970.

3. Бородицкий Л.С. Оценка величины снижения звуковой вибрации корпусных конструкций с помощью воздушной пелены. Судостроение, № 8, 1979, с.7-9.

4. Patent USA N 5513149. Sound damping arrangement. //Salmi P., Pockalen J., Jarvi A., CL 367/1,1996.

5. Johannsen Ch. Investigation of bubble veil generation for reduction of propeller induced vibrations. News Wave, 2002/1, pp. 1-2.

6. Лойцянский Л.Г. Об изменении сопротивления тел путем i заполнения пограничного слоя жидкостью с другими физическими константами. — ПММ, 1942, № 1, с. 28-35.

7. Федяевский К.К. Уменьшение сопротивления трения путем изменения физических констант жидкости у стенки. Изв. АН СССР, 1943, ОТН, № 9,. с.224-230.

8. Grighton O.G., Williams J.E. Sound generation by turbulent two-phase flow. J. Fluid Mech., 1969, v. 36, N 3, pp. 585-603.

9. Наугольных; K.A., Рыбак C.A. Нелинейные акустические явления в двухфазном пограничном слое. — В кн.: Нелинейная акустика. Теоретические и экспериментальные исследования. Горький: Из-во ИПФ СССР, 1980, с. 161-175.

10. Барбанель Б.А., Богдевич В.Г., Мальцев Л.И., Малюга А.Г. Некоторые практические приложения теории управления пограничным слоем. СПб: Из-во СМБМ «Малахит», 1994. - 47 с.

11. Амфилохиева В.Б., Артюшков П.С., Барбанель Б.А., Короткин А.И., Мазаев К.М., Мальцев Л.И., Семенов Б.Н. Современное состояние теорииуправления пограничным слоем. СПб: ГУП «СПМБМ «Малахит», 2000415 с.

12. Boissonneau P. Magnetohydrodynamics propulsion: a global approach of an inner DC thruster. Energy Conv. Manag., v. 40, 1999, pp. 1783-1802.

13. Boissonneau P., Thibault Jp. Experimental analysis of couplings between electrolysis and hydrodynamics in the context of MHD in seawater. J. Phys. D-Appl. Phys., v. 32,1999, pp. 2387-2398.

14. Walker JS., Brown Sh., Sondergaard Na. Acoustic end effects in magnetohydrodynamic submerged vehicular propulsors. Part 1. — J. Ship Res., v. 36, № 1,1992, pp. 69-76.

15. Walker JS., Brown Sh., Sondergaard Na. Acoustic end effects in magnetohydrodynamic submerged vehicular propulsors. Part 2. J. Ship Res., v. 38, 1994, pp.158-163.

16. Якименко Л.М., Модылевская И.Д., Ткачек З.А. Электролиз воды. М.: Химия, 1970.-99 с.

17. Гольдштейн А.В. Эксплуатация электролизных установок для получения водорода и кислорода. М.: Энергия, 1969 г.

18. Кабанов Б.Н., Фрумкин А.Н. Величина пузырьков газа, выделяющихся при электролизе. ЖФХ, 1933, т. IV, вып. 5, с. 538-548.

19. Rayleigh Lord. On the pressure developed in a liquid the collapse of a spherical cavity. Philos. Mag. v.34, № 200. p.94, 1917.

20. Буланов В.А. Введение в акустическую спектроскопию микронеоднородных жидкостей. Владивосток: Дальнаука, 2001 г.- 279 с.

21. Ильичев В.И., Корец В Л., Мельников Н.П. Акустическое излучение одиночного неподвижного пузырька при периодических пульсациях/ -А.Ж., т. 39, вып. 1, 1993, с. 101-107.

22. Акуличев В.А., Ольшевский В.В. Связь стохастических характеристик акустической кавитации и кавитационного шума. Акуст. журн. 1968, т. 14, №1, с. 30-36.

23. Chen Х.М., Prosperetti A. Thermal processes in the oscillations of gas bubbles in tubes. JASA, 1998, v. 104, №3, pp. 1389-1398.

24. Sarkar K., Prosperetti A. Coherent and incoherent scattering by oceanic bubbles.- JASA, 1994, v. 96, №1, pp. 332-341.

25. Ландау Л.Д., Лифшиц E.M. Теоретическая физика: т.VI, Гидродинамика. -М.: Наука, 1988.-736с.

26. Devin Charles. Survey of thermal, radiation and viscous damping of pulsating air bubbles in water. JASA, v. 31(12), 1959, pp. 1654-1667.

27. Красильников B.A., Крылов В.В. Введение в физическую акустику. М: Наука, 1984. - 400 с.

28. Frank A. Boile and Nicolas P. Chotiros A model for acoustic backscatter from muddy sediments. JASA, v. 98 (1), 1995, pp.525-530.

29. Foldy L.L., Carstensen E.L. Propagation of sound through a liquid containing bubbles. JASA, v. 19, 1947, pp. 481-501.

30. Уоллис Г. Одномерные двухфазные течения. М: Мир, 1972 г. - 440с.

31. Фокс Ф., Керли С., Ларсон Г. Измерения фазовой скорости и поглощения звука в воде, содержащей воздушные пузырьки. JASA, v.27, 1955 р.534 (перевод в ж. Проблемы современной физики № 8 1956 г.).

32. Davids Norman and Thurston The acoustical impedance of a bubbly mixture and its size distribution function. JASA, v. 22, 1950, pp.20-24. j

33. Silberman Edward Sound velocity and attenuation in bubbly mixtures measured in standing wave tubes. JASA, v. 29, 1957, pp. 925 - 933.

34. Feuillade C. The attenuation and dispersion of sound in water containing multiply interacting air bubbles. JASA, v. 99(6), 1996, pp. 3412-3430.

35. Temkin S. Attenuation and dispersion of sound in dilute suspensions of spherical particles. JASA, v. 108 (1), 2000, pp. 126-146.

36. Алексеев B.H., Рыбак C.A. Влияние распределения пузырьков по размерам на распространение звука в средах с резонансной дисперсией. А.Ж., 1997, т.43, № 6, с. 730-736.

37. Воронина Н.Г., Исаков Н.Я., Легуша Ф.Ф. Применение холодных1.1двухфазных сред на основе морской воды и водорода для звукоизоляции гидроакустических шумов. 3-я МНК по морским интеллектуальным технологиям «МОРИНТЕХ-99», СПб, 1999, с. 133.

38. Воронина Н.Г., Легуша Ф.Ф. Звукоизоляция высокочастотных гидроакустических шумов с помощью пузырьковой пелены. НТК «Проблемы мореходных качеств судов и корабельной гидромеханики, XXXIX Крыловские чтения», СПб, 1999, с. 136-137.

39. Фриц В., Энде 3. Исследование механизма парообразования с помощью киносъемки паровых пузырей. — Phys. Z., 37 (11), 1936, р. 391.

40. Лабунцов Д А., Ягов В.В. Механика простых газожидкостных структур. -М: Из-во МЭИ, 1978,- 92 с.

41. Тепло и массообмен". Теплотехнический эксперимент. Справочник, /под ред. Григорьева В.Г. и Зорина В.М.- Л: Энергоиздат, 1982. 512 с.

42. Кутателадзе С.С. Анализ подобия в теплофизике. Новосибирск: Наука, 1982. - 280 с.

43. Волков П.К. Динамика жидкости с пузырьками газа. Механика жидкости и газа, № 3, 1996, с. 75-88.

44. Воронина Н.Г. Излучение звука газовым пузырем, всплывающим в жидкой среде. ВНКСФ-7, СПбГУ, Екатеринбург - СПб, 2001, с. 291-292.

45. Воронина Н.Г. Исследование процессов всплытия газового пузыря. -ВНКСФ-8, Екатеринбург, 2002, с. 123-124.

46. Воронина Н.Г., Легуша Ф.Ф. К вопросу о расчете скорости звука в двухфазных средах на основе водород-вода.- Всероссийская НПК «200 лет ВВМИУ им. Ф.Э.Дзержинского», СПб, 1998, с.217-219.

47. Гончаров В.К., Клементьева Н.Ю. Моделирование динамики и условий звукорассеяния газовых пузырьков, всплывающих с больших глубин в море в районах нефтегазовых месторождений А.Ж. 1996, т.42, №3, с.371-377.

48. Гончаров В.К., Клементьева Н.Ю. Оценка глубины проникновения и времени существования газовых пузырьков, образующихся при разрушении ветровых волн. Океанология, т.30, вып 3. 1990, с.393-399.

49. Воронина Н.Г., Легуша Ф.Ф. Изменение акустических параметров одиночного водородного пузыря, всплывающего в морской воде.-Юбилейная НТК, поев. 100-летию СПбГМТУ, СПб, 1999, с. 64-69.

50. Воронина Н.Г., Легуша Ф.Ф. Изменение амплитуды колебаний пузыря при -его всплытии из глубины на поверхность.- XI сессия РАО, Сб. трудов т. I, М.: ГЕОС, 2001, с. 49-52.

51. Воронина Н.Г., Легуша Ф.Ф. Излучение звука газовым пузырем при его отрыве от поверхности твердого тела.- XI сессия РАО, Сб. трудов т. I, М.: ГЕОС, 2001, с. 52-55.

52. Бреховских Л.М. Волны в слоистых средах.- М: Изд-во АНСССР, 1957. -502 с.

53. Воронина Н.Г., Ливеров t B.C. Экспериментальные исследования параметров процесса электролиза воды,- НТК "Кораблестроительное образование и наука-2003", СПбГМТУ, 2003, с. 7-12.

54. Feuillade С. Scattering from collective modes of air bubbles in water and the physical mechanism of superresonances. JASA, v. 98(2), 1995, pp.1178-1190.

55. Скучик Е. Основы акустики. Т. 2. М.: Из-во ИЛ, 1959. - 565 с.I

56. Ramani Duraiswami, Sarkar Prabhukumar and Getftfges L.Chahine Bubble counting using an inverse acoustic scattering method.= J AS A, 104 (5)1998 pp. 2699-2717.

57. Sutin A.M., Yoon S.W., Kim E.J., and Didenkulov I. N. Nonlinear acoustic methoed for bubble density measurements in water. JASA, 103(5) 1998 pp.2377-2384.

58. Гаврилов Л.Р. Содержание свободного газа в жидкости и акустические методы его исследования. Обзор.- А.Ж., т. 15, вып. 3, 1969, с.321-334.

59. Воронина Н.Г. Результаты экспериментального исследования акустических параметров газожидкостных смесей.- НТК "Кораблестроительное образование и наука-2003", СПбГМТУ 2003, с. 1316. 1

60. Lauterborn W. Numerical investigation of nonlinear oscullation of gas bubbles in liquids. JASA, v. 59, 1976, № 2, p. 283.

61. Воронина Н.Г., Легуша Ф.Ф. Излучение звука пузырями, всплывающими в жидкости.- 6-ая МНПК «Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики», СПб, 2002, с. 184-189.

62. Воронина Н.Г., Легуша Ф.Ф., Ливеров B.C. Расчет спектра излучения звука водородными пузырями при их отрыве от поверхности твердого тела в процессе электролиза воды. XIII сессия РАО, Сб. трудов, т. 1 М.: ГЕОС, 2003, с. 141-144.