Experimental study of cavitation-hydrodynamic luminescence in gas-liquid environment

Abstract

The article presents the results of the study of cavitation processes in technological equipment related to analytical phenomena that are accompanied by cavitation. One of the important factors accompanying cavitation processes is hydrodynamic luminescence. The information analysis of the existing theories of luminescence formation, including at hydrodynamic processes in liquids and gas-liquid environments is carried out that allowed to substantiate the basic conditions which provide emergence of the phenomenon of hydroluminescence. A literature search revealed that there is no unambiguous theory of the nature of sonoluminescence and hydroluminescence. These processes have several theories of their origin: thermal, electrical, quantum and even nuclear. Moreover, each theory is to some extent confirmed by the experiments of scientists, but at the same time is not fully disclosed. This ambiguous interpretation leads to the conclusion that the current situation cannot be considered satisfactory. Detailed experimental studies of this phenomenon are needed. For the practical study of the mechanisms of hydrodynamic luminescence, an experimental stand based on a hydrodynamic cavitator was developed and manufactured. This stand allows to investigate the cost characteristics of the cavitator, to observe and make photo and video fixation of the phenomenon of hydroluminescence in the flow of liquid or gas-liquid mixture, for which an ejector mixer was used. As a result of application of experimental-analytical method and technical visualization it is established that the phenomenon of hydroluminescence begins at an oil pressure of 20 bar, and at its saturation with inert gas – occurs at much lower pressures within 10 bar. According to our observations, with increasing flow velocity in the narrowing region, cavitation first occurs, then, with a further increase in the flow velocity, single sparks begin to appear, and at some point there is a "breakdown" and a stable glow. Based on the results of processing and analysis of experimental studies, a conceptual model of the stages of origin and development of the cavitation process and the accompanying effects is built. The conducted researches allowed to reveal the cavitation zones arising in the cavitator. Cavitation areas were identified with the help of high-speed video recording and the mechanism of its development was investigated. In addition, the visualized characteristics of the closed volume to some extent clarify the existing ideas about the behavior of the liquid and gas-liquid mixture in the nozzle. It is concluded that the phenomenon of hydroluminescence (triboluminescence) can be used as a method of cavitation visualization. At the same time, the management of workflows that accompany the phenomenon of cavitation is quite relevant because it allows you to deal with the undesirable consequences of cavitation.У статті представлені результати дослідження кавітаційних процесів у технологічному обладнанні, пов'язаних з аналітичними явищами, що супроводжуються під час кавітації. Одним з важливих факторів, що супроводжують кавітаційні процеси являється гідродинамічна люмінесценція. Проведено інформаційний аналіз існуючих теорій утворення люмінесценції, в тому числі при гідродинамічних процесах в рідинах і газо-рідинних середовищах, що дозволило обґрунтувати основні умови, які забезпечують виникнення явища гідролюмінесценції. Проведений літературний пошук виявив, що не існує однозначної теорії природи виникнення сонолюмінесценції і гідролюмінесценції. Дані процеси мають кілька теорій їх виникнення: теплова, електрична, квантова і навіть ядерна. Причому кожна теорія в якійсь мірі підтверджується дослідами вчених, але в той же час не є повністю розкритою. Таке неоднозначне трактування призводить до висновку, що ситуацію, що склалася не можна вважати задовільною. Необхідні розгорнуті експериментальні дослідження даного явища. Для практичного вивчення механізмів виникнення гідродинамічної люмінесценції був розроблений і виготовлений експериментальний стенд на основігідродинамічного кавітатора. Даний стенд дозволяє досліджувати витратну характеристику кавітатора, спостерігати і робити фото- і відео фіксацію явища гідролюмінесценції в потоці рідини або газо-рідинній суміші, для отримання якої використовувався ежекторний змішувач. В результаті застосування експериментально-аналітичного методу і технічної візуалізації встановлено, що явище гідролюмінесценції починається при тиску масла 20 бар, а при його насиченні інертним газом – відбувається при значно менших тисках в межах 10 бар. За нашими спостереженнями, зі збільшенням швидкості потоку в області звуження спочатку виникає кавітація, потім, при подальшому збільшенні швидкості потоку, починають з'являтися поодинокі іскри, а з певного моменту відбувається «пробій» і встановлюється стабільне свічення. За результатами обробки і аналізу проведених експериментальних досліджень побудована концептуальна модель етапів виникнення і розвитку процесу кавітації і супутніх цьому ефектів. Проведені дослідження дозволили виявити кавітаційні зони, що виникають в кавітаторі. З допомогою швидкісної відеозйомки були виявлені області кавітації і досліджено механізм її розвитку. Крім того, отримані за рахунок візуалізації характеристики замкнутого обсягу певною мірою прояснюють існуючі уявлення про поводження рідини і газо-рідинної суміші в соплі. Зроблено висновок, що явище гідролюмінесценції (триболюмінесценції) може використовуватись як метод візуалізації кавітації. У той же час керування робочими процесами, які супроводжують явище кавітації, є досить актуальним, оскільки дозволяє боротися з небажаними наслідками кавітації.