Звукокапиллярный эффект

Звукокапиллярный эффект

Звукокапиллярный эффект - явление аномально глубокого проникновения жидкостей в капилляры, поры и узкие щели под действием ультразвука.

Если в наполненную жидкостью ультразвуковую ванну погрузить капилляр, то при определенной интенсивности ультразвука, подъем жидкости существенно (иногда в несколько раз) возрастает.

Установлено, что жидкость поднимается по капилляру под действием ультразвука только при условии, что кавитационная область, состоящая из пульсирующих и захлопывающихся кавитационных газовых пузырьков (каверн), находится непосредственно под капилляром. Эффект обуславливается суммарным воздействием единичных импульсов давления, которые возникают при захлопывании кавитационных пузырьков. Скорость и высота подъема жидкости в капилляре зависят от числа захлопывающихся пузырьков в единицу времени, величины возникающих при этом сил, от трения жидкости на стенках капилляра и от вязкости жидкости. Именно поэтому звукокапиллярный эффект оказывается различным для разных жидкостей и разных по размеру и форме капилляров; его проявление меняется с изменением интенсивности ультразвука и с течением времени усиливается с приложением статического давления или содержанием избыточного давления в жидкости с градиентом в сторону капилляров.

Положение захлопывающихся пузырьков в основании капилляров неустойчиво из-за интенсивности акустических течений, т.е. вихревых течений жидкости, возникающих в ультразвуковом поле. Например, уровень воды в стеклянном капилляре сечением 0,35*0,35 мм2 при звуковом давлении 2*105 Па (около 2 атм) на частоте 18 кГц в результате звукокапиллярного эффекта превышает уровень, обусловленный силами поверхностного натяжения (т.е. в отсутствии ультразвука), более, чем в 10 раз.

Увеличение интенсивности ультразвука и развитие акустических течений снижают эффект, и при звуковом давлении (14-16)*105 Па подъем воды в стеклянном капилляре указанных размеров под воздействием ультразвука не происходит.

Нарушение локализации в окрестностях основания капилляра кавитационных пузырьков и уход их из сечения капилляра приводит к мгновенному опусканию жидкости до уровня, определяемого действием сил поверхностного натяжения. Поддержание уровня жидкости в капилляре требует меньших (в 5-10 раз) затрат энергии ультразвуковых колебаний, т.к. при этом нет необходимости преодолевать силы вязкого трения жидкости о стенки капилляра.

Временные характеристики

Время инициации (log to от -1 до 0);

Время существования (log tc от 0 до 4);

Время деградации (log td от -1 до 0);

Время оптимального проявления (log tk от 0 до 3).

Применение эффекта

Звукокапиллярный эффект получил широкое применение для осуществления и/или интенсификации самых различных технологических процессов. В частности, позволяет ускорить в десятки и сотни раз пропитку пористо-капиллярных тел, увеличить скорость и глубину заполнения щелей при производстве различных конструкций. Например, при пайке сложных изделий, благодаря способности обеспечить проникновение горячего припоя одновременно во все зазоры, резко повышается качество соединений; имеет место, в частности, при бесфлюсовой пайке трубчатых теплообменников.

Большинство процессов ультразвуковой обработки твердых тел в жидкости с использованием кавитационных явлений сопровождается усиленным проникновением жидкости в капиллярные щели твердых тел и расклиниванием их. Это относится к процессам ультразвуковых очисток, травлений, сверлений, к процессам кристаллизации и рафинирования в металлургии.

Звукокапиллярный эффект позволяет значительно ускорять процессы диспергирования и гидроабразивного разрушения порошкообразных материалов, проводимый на ультразвуковых установках, работающих под статическим давлением.

Эффект широко используется в фасонном литье для получения тонких (капиллярных) каналов литейных форм при изготовлении точных отливок из алюминиевых сплавов.