Акустическая кавитация: движущая сила ультразвуковой обработки жидкости 

Акустическая кавитация возникает, когда жидкость подвергается воздействию высокоинтенсивного ультразвука.Вы увидите подобное явление: рядом с источником ультразвука образуется облако пузырьков и раздается сильный шипящий звук.Кавитация относится к образованию пустот низкого давления (также известных как вакуумные пузырьки или полости) в жидкости. Они изменяются от маленьких до больших, ненадолго колеблются, а затем последовательно взрываются, мгновенно вызывая физическое явление высокого давления и высокой температуры.

Сильное выдувание пузырьков воздуха во время кавитации вызовет некоторые экстремальные явления. Мгновенная температура достигает 5000 ℃, скорость нагрева и охлаждения достигает 10 миллиардов ℃ / сек, а мгновенное давление достигает 1000 атмосфер, в результате чего образуются свободные радикалы (содержащие неспаренные электроны, которые очень активны), вызывающие множество химических (акустических) реакций, таких как окисление загрязняющих веществ, стерилизация, полимеризация, десульфуризация, длинноцепочечная молекулярная деградация и т.д.В то же время в поле кавитации генерируются текущие потоки, чрезвычайно быстрые микроструи (скорость до 500 м/с) и огромные силы сдвига, способствующие различным физическим и механическим эффектам, таким как эмульгирование, дробление частиц, дробление ячеек, гомогенизация, диспергирование, дегазация и т.д.При соответствующих условиях кавитация может даже производить свет - этот эффект называется акустической люминесценцией.

Чисто химический эффект ультразвуковой кавитации умеренно усиливается с увеличением частоты, в то время как механический эффект обратно пропорционален частоте.Таким образом, вы обнаружите, что промышленная ультразвуковая чистка обычно работает на частоте 20 кГц.При очистке легко повреждаемого полупроводника необходимо увеличить частоту, чтобы уменьшить амплитуду.

Основной принцип формирования пузырьковых облаков низкого давления можно проиллюстрировать на этом примере.Шприц наполнен жидкостью, и игла заблокирована пальцами.Когда поршень вытягивается вверх, из-за увеличения объема шприца жидкость растягивается, образуя пузырьки воздуха низкого давления.Когда поршень будет отпущен, он вернется в исходное положение, и воздушный пузырь схлопнется.Если поршень продолжит вытягиваться вверх, будут образовываться все более крупные пузырьки низкого давления, и тогда сила сжатия увеличится.Вышеуказанные эффекты требуют, чтобы поршень и внутренняя стенка шприца были плотно закрыты.

В открытом контейнере из-за ультразвуковой вибрации 20 000 раз в секунду жидкость не успевает заполнить область низкого давления, поэтому образуется облако вакуумных пузырьков, аналогичное описанному выше эксперименту.

Динамические изменения вакуумных пузырьков при кавитации показывают рост и асимметричное сжатие полостей низкого давления, в результате чего образуются микроструи.Колебание и рост пузырьков воздуха происходят одновременно, и окружающий пар жидкости (пар, образующийся при мгновенной высокой температуре) и растворенный газ всасываются внутрь.Этот процесс называется выпрямленной диффузией.Внутреннее давление пузырька относительно низкое, что способствует окончательной продувке.На стадии продувки скорость движения стенки пузырька может превышать скорость звука в газе.Это создаст ударную волну в воздушном пузыре (аналогичную ударной волне, возникающей при прохождении самолетом звукового барьера), в результате чего воздушный пузырь будет образовывать крошечные фрагменты, еще больше усиливая эффект кавитации.