Acoustic waves propagation in heated water with vapor bubbles

Abstract

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 объемного газосодержания g0 с двумя начальными размерами пузырьков a0 = 10−6 м и 10−3 м. Изучено влияние частот возмущений и температуры среды на коэффициент затухания акустической волны. The problems of wave propagation in bubbly media are of great interest for researchers for nearly half a century due to the wide distribution of these systems in nature and their intense use in modern technology. It is known that the attenuation intensity of sound disturbances in the gas-liquid media is mainly determined by the thermophysical characteristics of the gas in bubbles. It turns out that these effects are significantly observable with increasing of steam concentration due to system temperature get higher. In this paper, we consider the propagation of small perturbations in a liquid with bubbles filled with vapor and gas insoluble in the liquid phase in an one-dimensional and one-velocity approximation. In order to take into account interfacial heat and mass transfer, we use the heat and diffusion equations inside the bubble and the heat equation in the fluid around the bubble. A dispersion equation was written from the existence condition of the solution in the form of a damped traveling wave, taking into account the effects of acoustic unloading of bubbles, and numerical calculations were carried out for water with vapor-gas bubbles. We investigate the features of the reflection of harmonic waves from the interface of “pure” liquid and liquid with vapor-gas bubbles. Also, we carry out a numerical analysis of the effect of the initial volume gas content g0 with two initial bubble sizes a0 = 10−6 m and 10−3 m. Finally, we study the effect of disturbance frequencies and temperature of the media on the attenuation coefficient of sound.