ABSTRACT

The purpose of this monograph is to conduct research into the process of formation of disperse systems and unique alloys in the modes of vibration cavitation and resonant turbulization from positions of physicochemical dynamics.  

The phenomenon of resonant turbulization could be considered as the highest phase of vibration cavitation. This phenomenon takes place in the hermetically sealed reactor installed on the vibration machine’s mobile platform, forming rigid mechanical “vibrator–reactor” system. The reactor, with components of the dispersed system to be formed placed in it, is exposed to the revolting influence of a force field at accelerations from 20 to 50 times exceeding usual gravity acceleration. At certain fluctuation parameters, when frequency of the compelled fluctuations approaches the frequency of natural fluctuations of the mix, the mixture develops a mechanical resonance, which is followed by hydraulic hammer phenomenon. Cavitation develops in the system. Shock waves extend in all volume of the reactor and lead to violation of the dispersive environment’s continuity and to the emergence of a avalanche of gas bubbles. This phenomenon is called "vibrational cavitation".  

When bubbles quantity reaches a critical amount, inside the system vertically directed unit of bubbles, is formed. The configuration of bubbles looks like a "plait" of tornado funnel. Units of bubbles rotate, and moving vertically. Such phenomenon is called "resonant turbulization".

The following results are given in this monogram: 

•         The study offers mathematical models of vibration cavitation and resonant turbulization. 

•        The study considers the mathematical model of dynamics of gas bubble development and the processes happening on an interface of phases.

•        The study considers the design and results of researches into the processes of heat exchange and mass transfer on physical model of the single gas bubble.

•        The author carries out mathematical justification and develops a technique of measuring internal pressure fields in the course of disperse systems’ formation. 

•        The author carries out mathematical analysis of measurement errors.

•        The study offers different designs of chemical reactors for realization of the considered phenomena. Reactors could be made as modular system in which the central part is executed in the form of the straight cylinder, the step cylinder, or the elliptic hyperboloid differing in diameter from other modules of the reactor. This constructional flexibility will allow reactors to be design for work in batch and continuous modes. 

The use of vibration cavitation and resonant turbulization represents the breakthrough method of formation disperse systems in the discrete and continuous modes, which has practical application in physicochemical technology, metallurgy, automobile, ships, aircraft, spacecraft, and other areas of science and technology. 

The production of special solutions can be one of the perspective directions of offered technology, as:

•        Degreasing solutions and chemical solvents;

•        Solutions for cleaning of a deposit (engines or parts of engines);

•        Solutions for etching – removal of oxides from a surface;

•        Solutions and mixes for chemical polishing;

•        Solutions for drawing (or removals) metal coverings;

•        Solutions and mixes for chemical oxygenating and coloring of metals;

•        Protection against influence of environment, etc.

Most chemical reactions and physicochemical processes, including mass transfer and heat exchange, generally happen through the surface between phases. The considered phenomenon differs from most physicochemical processes due to its exclusively uniquely large development of an interface of phases that creates new technological capabilities for production of dispersed systems applicable to macro–, micro–, and nanotechnology, applies to production of "ink" for the 3-D printers; the creation of artificial fuel on the basis of the carbon dioxide (retrieved from the atmosphere and water); the production of artificial blood; ferromagnetic and electronic liquids; and in electronic, biochemical, pharmaceutical, paint and varnish, cosmetic and other branches of chemical production. The reactors built for the resonant turbulization phenomenon can be used to produce suspensions, pastes, and creams, as well as in the processes of dissolution, emulsification, extraction, homogenization, etc. in discrete processes or in the continuous modes.

Special perspective application of the offered breakthrough technology, include the fabrication of normally incompatible composite materials, such as ceramics and metals. Such new products can differ from existing materials by their mechanical, physical, and physicomechanical properties. For example, a porous ceramic or the spongy titanium could be filled with some materials that will create a new product with significantly improved or essentially new properties. 

Another direction of the offered phenomenon is the creation of multicomponent, high–performance alloys that cannot be created in terrestrial conditions. Such alloys could be produced under acceleration of gravity 20–50 times exceeding the terrestrial inclination. Unique alloys possessing such essentially new properties could be use them in special applications in hostile environmental conditions, such as chemical– and heat–resistant, and low–temperatures, fossil energy production; chemical processing; pharmaceutical, underwater shipbuilding and aerospace.

ЧАСТЬ - I 

АННОТАЦИЯ

Целью данной монографии является исследование механизма процесса формирования дисперсных систем и уникальных сплавов в режимах вибрационной кавитации и резонансной турбулентности с позиций физико–химической динамики.

Явление резонансной турбулентности, по мнению автора, является высшей фазой вибрационной кавитации. Это явление может иметь место в герметически закрытом реакторе, установленном на подвижной площадке вибрационной машины, образующими жесткую механическую систему «вибратор–реактор». Реактор с помещенными в него компонентами смеси подвергается возмущающему воздействию силового поля при ускорениях от 20 до 50 раз превышающих обычное ускорение силы тяжести. По мере приближения частоты вынужденных колебаний к частоте собственных колебаний смеси, в последней, при определенных параметрах колебаний, может возникнуть механический резонанс, сопровождающийся гидравлическими ударами. В системе начинают развиваться кавитационные процессы. По мнению автора, это явление следует назвать «вибрационной кавитацией».

При совпадении частоты возмущающего поля сил с частотой собственных колебаний компонентов смеси, в системе наступает резонанс. При этом имеет место резкое увеличение амплитуды колебаний смеси, которая, взрывообразно заполняя весь внутренний объем реактора, трансформируется, если так можно выразится, в  «предварительную дисперсную систему». Одновременно с резонансом, в результате резкого столкновения смеси с верхней крышкой реактора, в смеси возникает явление гидравлического удара. Ударные волны распространяются во всем объеме реактора, что приводит к нарушению непрерывности дисперсионной среды и к лавинообразному возникновению кавитационных пузырьков газовой смеси.

Когда количество пузырей достигает критического, в системе формируются вертикально направленные агрегаты пузырей, напоминающие «жгуты» воронок торнадо. Агрегаты пузырей, вращаясь, движутся вертикально и, таким образом, формируют дисперсную систему, одновременно производя минимизацию элементов дисперсной фазы. Такое явление, по мнению автора, следует считать «резонансной турбулентностью».

В работе приводятся следующие результаты: 

•        предложены математические модели явлений вибрационной кавитации и резонансной турбулентности; 

•        рассмотрена математическая модель динамики развития паро–газового пузырька и процессов, происходящих на поверхности раздела фаз;

•        рассмотрена конструкция и результаты исследований процессов теплообмена и массопереноса на физической модели паро–газового одиночного пузырька: 

•        проведено математическое обоснование и разработана методика измерения полей внутренних давлений в процессе формирования дисперсных систем и проведен математический анализ погрешности измерений;

•        предложены несколько конструкции химических реакторов для реализации рассматриваемых явлений. Реакторы могут быть изготовлены как модульные конструкции, в которых центральная часть выполнена в форме прямого цилиндра, либо ступенчатого цилиндра, либо эллиптического гиперболоида, отличающихся диаметром от других модулей реактора. Эта конструкционная гибкость позволит проектировать реакторы для работы в дискретном и в непрерывном режимах. 

Опубликованные в США конструкторские разработки и теоретические обоснования открывают возможности применения рассматриваемых явлений в дискретном и непрерывном режимах. Использование вибрационной кавитации и резонансной турбулентности, по мнению автора, представляет собой прорывной метод формирования дисперсных систем, имеющий практическое применение в физико-химической технологии, металлургии и других областях науки и техники. 

Одним из множества перспективных направлений применения предлагаемой технологии может быть производство специальных растворов. Например:

•        Обезжиривающих растворов и химических растворителей;

•        Растворов для очистки от нагара (двигателей или частей двигателей);

•        Растворов для травления – удаления окисей с поверхности;

•        Растворы и смеси для химического полирования;

•        Растворы для нанесения (или удаления) металлических покрытий;

•        Растворы и смеси для химического оксидирования и окрашивания металлов;

•        Защита от воздействия окружающей среды.

Известно, что все химические реакции и физико-химические процессы, включая массоперенос и теплообмен, происходят, в основном, через границу раздела фаз. Таким образом рассматриваемый процесс, отличающийся исключительно большим развитием поверхности раздела фаз, создает новые технологические возможности для производства макро–, микро–, и нано– дисперсных систем, применяемых для производства «чернил» для 3D печати, создания искусственного топлива на основе получаемого из атмосферы углекислого газа и воды, в производстве искусственной крови, ферро-магнитных и электронных жидкостей, в электронной, биохимической, фармацевтической, лакокрасочной, косметической и прочих отраслях химического производства. Реакторы, построенные на рассматриваемом явлении резонансной турбулентности, могут быть использованы при изготовлении суспензий, паст, кремов, в процессах растворения, эмульсификации, экстракции, гомогенизации и т.п. в дискретных процессах или в непрерывном режиме.

Особым перспективным направление предлагаемой прорывной технологии может быть производство изделий, в состав которых входят несовместимые композиционные материалы, керамика и металлы. Такие новые изделия могут отличаться от существующих механическими, физическими, физико-механическими  и иными свойствами. Например, заполнение пористой керамики или губчатого титана материалами, придающим изделиям из таких материалов существенно улучшенные или принципиально новые свойства. 

Другим направлением может быть создание многокомпонентных сплавов на основе алюминия, магния и титана с небольшим в процентном отношении количеством добавок,   например, циркония и прочих редких металлов. Такие сплавы, которые порой невозможно создать в земных условиях, могут быть созданы в условиях ускорений силы тяжести порядка в 20–50 раз превышающих земное тяготение. Такие уникальные сплавы, обладающие принципиально новыми свойствами, можно будет использовать в условиях агрессивных сред, высоких давлений и температур для нужд судостроения, авиации, в космической технологии и прочих прорывных отраслях промышленности, науки и техники.

 ВВЕДЕНИЕ

Целью данной работы является исследование процесса формирования дисперсных систем в режимах вибрационной кавитации и резонансной турбулентности с позиций физико–химической динамики.

Эмульсиями называют дисперсные системы, образованные двумя или более несмешивающихся между собой жидкостями и состоящие из микроскопических капель одной жидкости (дисперсной фазы), распределенных в другой жидкости или смеси нескольких жидкостей (дисперсионной среде). Эмульсии, образованные из капель дисперсной фазы размером от 1 до 50 микрон, обычно относятся к грубодисперсным системам. Эмульсии, образованные с низкой концентрацией дисперсной фазы, считаются неструктурированными, а структурированными называют системы, образованные с высокой концентрацией дисперсной фазы. 

Суспензиями называют дисперсные системы, состоящие из частиц твердого тела (дисперсной фазы), находящимися во взвешенном состоянии в жидкости или смеси жидкостей (дисперсионная среда). При размерах частиц более 10 микрон, они оседают достаточно быстро. Однако, при сравнительно малом различии плотности дисперсионной среды с плотностью твердых частиц, процесс седиментации происходит сравнительно медленно. Такие суспензии иногда называют взвесями. Суспензии, образованные частицами размером менее 10 микрон, которые сравнительно долго остаются во взвешенном состоянии, называют коллоидами.

Пены образуются пузырьками газа (дисперсная фаза), распределенными в жидкости или смеси жидкостей (дисперсионная среда).

Рассматриваемые явления [1–3] развиваются внутри герметически закрытого цилиндрического химического реактора, установленного вертикально на подвижном столе вибрационной машины достаточной мощности и жестко соединенного с подвижным столом, образуя единую систему «вибратор–реактор». Конструкция корпуса реактора обеспечивает его жесткость, способную противостоять значительным внешним механическим нагрузкам, при воздействии которых деформация элементов корпуса продолжает оставаться в зоне упругих напряжений. В реактор помещают компоненты планируемой дисперсной системы, которые подвергаются низкочастотным вибрационным воздействиям вертикально направленного синусоидального силового поля при частотах в диапазоне от 30 до 150 Герц, амплитудах в диапазоне от 1 до 3 миллиметров и ускорении от 200 до 500 м/сек² (20–50 G). В момент, когда частота вибрации реактора приближается к частоте внутренних колебаний находящейся в реакторе смеси, внутри смеси возникает механический резонанс, вызывающий существенное увеличение амплитуды смеси, что сопровождается резким гидравлическим ударом. 

Вибрация компонентов формируемой дисперсной системы происходит в замкнутом объеме реактора, в котором различные сопредельные элементарные объёмы смеси движутся с разными скоростями и в противоположных направлениях. Взаимодействие этих объемов тормозит движение других, более быстро двигающихся объемов формирующейся дисперсной системы. Одновременно,  вместе с зонами разряжения, возникающими под верхней крышкой реактора, возникает возмущающая сила, действующая на систему «вибратор– реактор» и заставляющая компоненты смеси менять направление и скорость движения [1–3]. 

Таким образом, в реакторе происходит разнонаправленное движение сопредельных объемов формирующейся дисперсной системы и одновременное распространение противодействующих друг другу ударных волн. Оба этих процесса вызывают развитие зон повышенного давления и зон разряжения. Естественно, при этом в сопредельных объёмах дисперсной системы происходят несовпадающие по времени трансформации и неизбежные потери энергии.

Именно в формирующейся дисперсной системе, находящейся под воздействием внешних механических сил, в момент достижения максимальной скорости ускорения и замедления различных объемов, в зонах с минимальным внутренним давлением, возникают нарушения непрерывности (сплошности) дисперсионной среды. Дополнительным фактором образования нарушений сплошности жидкостной фазы являются присутствующие в смеси возможные источники концентрации внутренних напряжений, например, частицы дисперсной фазы, малейшие изменения вязкости между сопредельными элементарными объемами, шероховатости материала корпуса реактора и так далее.  

Такое ассиметричное движение внутри реактора происходит на фоне непрерывного зарождения, развития и схлопывания парогазовых пузырьков, образующихся как следствие нарушения сплошности элементарных объемов жидкости, в которой возникают микропустоты. Эти каверны являются основой возникновения парогазовых пузырьков. 

Возможно предположить, что процесс массового образования парогазовых пузырей начинается в тот момент, когда давление в некоторых зонах жидкой компоненты снижается до давления её насыщенных паров и начинает отличаться от давления в других зонах. Между смежными зонами дисперсионной среды возникает разность потенциалов внутреннего давления паров жидкостной фазы. Таким образом, можно говорить о возникновении полей внутренних напряжений, что, в конечном счёте, приводит к нарушению сплошности внутри элементарных объемов дисперсионной среды. То есть, процесс образования пузырей, является результатом действия полей внутренних напряжений, возникающих в результате воздействия на дисперсионную среду возмущающих сил, приводящих в отдельных зонах к снижению внутреннего давления до давления насыщенных паров. 

В этих условиях, при определённых параметрах вибрации во всём объеме жидкой компоненты в реакторе происходят многократные нарушения сплошности, сопровождающиеся зарождением, развитием и схлопыванием пузырьков газовой фазы. Таким образом, процесс формирования дисперсных систем методом резонансной турбулентности представляет собой процесс образования поверхности раздела фаз (в зависимости от состава компонентов системы) между частицами твердого тела, каплями жидкости несмешивающейся с жидкостью, образующей дисперсионную среду, и парогазовыми пузырьками, разделенными пленками дисперсионной среды. Это явление настолько похоже на кавитацию, что его позволительно назвать вибрационной кавитацией.

Принимая во внимание размеры пузырьков, толщину прослоек дисперсионной среды, окружающих элементарные объемы и /или частички твердого тела, нетрудно предположить, что силы, действующие на поверхности пузырьков, являются капиллярно– поверхностными силами. 

Переход от возбужденного состояния находящихся в реакторе компонентов смеси к первой фазе резонансной турбулентности – вибрационной кавитации, наступает при совпадении частоты возмущающего воздействия внешнего силового поля с частотой внутренних колебаний смеси. Амплитуда движения компонентов смеси внутри реактора резко возрастает и смесь взрывообразно трансформируется в дисперсную систему. Такое состояние дисперсной системы нестабильно. Число образующихся пузырей стремительно возрастает. Они группируются, образуя в центральной части реактора зону, в которой пузыри наиболее активны. Они колеблются не только в вертикальном, но и в горизонтальном направлении, вращаются и разрываются. Образующиеся при их разрывах ударные волны создают перепады давлений внутри реактора, способствуя возникновению бесчисленного множества новых пузырей. 

По мнению автора, режимом резонансной турбулентности следует считать явление, когда в результате воздействия внешнего вибрационного силового поля  в формируемой дисперсной системе развивается устойчивая кавитация, характеризующаяся возникновением в центральной части реактора заполненных пузырями вертикальных жгутов, сбивающихся в воронкообразную систему, очень похожую на торнадо. Агрегаты пузырей и наполненные мелкими пузырьками жгуты дисперсионной среды, вращаясь, движутся в вертикальном направлении. Это состояние системы является источником гомогенизации и минимизации элементов дисперсной фазы. 

С позиции физико–химической механики, любая кавитация представляет собой процесс диспергирования, вызываемый нарушением непрерывности жидкой среды и трансформированием ее в двухфазную систему жидкость–газ, в то время как давление внутри жидкости становится эквивалентным давлению насыщенных паров этой жидкости. В то же время, с позиции гидродинамики кавитация представляет собой процесс образования парогазовых пузырей в объеме жидкости, как результат силового воздействия внешнего механического поля. 

В широком смысле, кавитация представляет собой процесс возникновения пузырей в возбужденной жидкости; или иначе, это процесс заполнения паро–газовой смесью образовавшихся, в результате изменения давления, нарушений сплошности жидкости (каверн), который происходит без изменения температуры окружающей среды.

Кавитация сопровождается характерным шумом, вызываемым схлопыванием пузырей.  Она  определяется так называемым числом кавитации  К [4], зависящим  от  

                  давления жидкости,   давления насыщенных паров жидкости , её плотности жидкости   и  скорости  потока .

Физический смысл формулы (А), приведенной в [4], заключается в том, что кавитационные пузыри образуются в том случае, когда давление в жидкости становится ниже некоторого критического значения, определяемого величиной давления насыщенного пара этой жидкости при определенной температуре окружающей среды и атмосферного давления над свободной поверхностью жидкости. 

Так как в жидкости постоянно присутствует некоторое количество растворенного газа, то в  этом  случае в объеме жидкости образуются микроскопические пузырьки (каверны), заполненные парами растворенного газа и проникшими туда, в результате диффузии, испарениями самой жидкости. В случае, когда давление в жидкости становится ниже некоторого значения, соответствующего температуре кипения этой жидкости,  через поверхность раздела фаз идет интенсивное испарение жидкости внутрь пузырьков. В случае, когда величина давления в жидкости сохраняется ниже значений давления при кипении, внутри пузырьков превалирует газ.

В результате движения пузырей в потоке жидкости, рост пузырька, попавшего в зону повышенного давления, ограничивается, а, при некоторых условиях, он  сжимается до размеров, соответствующих поверхностному давлению в окружающей его пленке. Переходя из одной зоны в другую, пузырек может несколько раз изменить свои размеры. Однако в зонах пониженного давления пузырек изменяет свои размеры с большой скоростью и, в результате, имеет место разрыв пузырька. Происходит гидравлический удар, ударная волна от которого распространяется в окружающей жидкости и сопровождается достаточно мощным звуковым импульсом. Причем гидравлический удар тем сильнее, чем меньше пара находится в объеме пузыря.

Известны несколько различных механизмов возникновения кавитационных пузырей. 

Первый вид кавитации состоит в образовании в потоке жидкости, двигающейся в трубопроводе под действием внешнего источника силового поля, сопредельных зон, между которыми образуются перепады внутренних давлений, образуя напряженное состояние между ними. Это, по всей видимости, объясняется дефицитом жидкости, возникающим в результате движения по трубам переменного сечения. Ее количества просто нехватает для поддержания сплошности потока во всем объеме трубы.

Другой вид кавитации заключается в образовании пузырей в потоке жидкости, движущейся под воздействием источника внешнего силового поля. Например, корабельного винта или импеллера насоса. В результате между сопредельными зонами жидкости образуются перепады внутренних давлений. Таким образом, между сопредельными зонами жидкости возникает напряженное состояние. Однако, эти явления отличаются тем, что перепады давлений возникают за счет разности скоростей элементарных объемов потока из-за различия источника формирования его на разном удалении от центра вращения.

Третий вид кавитации возникает под действием тепла. В процессе нагревания резервуара с жидкостью, на горячей поверхности устройства  в зонах, прилегающих к источникам тепла,  создаются условия, при которых происходит переход некоторых объемов жидкости в парообразное состояние. 

Другими причинами возникновения кавитации являются воздействие ультразвука, высокочастотного электрического разряда и обтекания поверхности скоростным потоком газа, например, поверхности фюзеляжа или крыла самолета.

Во всех перечисленных видах кавитации общим является то, что это явление возникает только в отдельных объемах, сопредельных с внешними границами жидкости или газа. В этой работе нет необходимости подробно останавливаться на всех механизмах возникновения вышеперечисленных видов кавитации и детального исследования их природы. 

Данная работа посвящена исследованию возникновения вибрационной кавитации и резонансной турбулентности – явлениям, по своей природе аналогичным кавитации. Однако рассматриваемые явления отличаются от других видов кавитации тем, что они развиваются не только на отдельной поверхности, ограничивающей объем жидкости или газа, но во всем объеме компонентов смеси, находящейся в герметически закрытом реакторе. Причиной возникновения рассматриваемых явлений является одновременное и совместное действие резонанса и гидравлического удара, возникающих в результате воздействия сил внешнего возмущающего вибрационного поля. При возникновении рассматриваемых явлений не происходит изменение объема смеси, так как она заполняет весь внутренний объем реактора, а элементы его конструкции (корпус и крышки) являются внешними границами формируемой дисперсной системы

Если величина силового воздействия такова, что в каждый момент времени возникает, развивается и разрывается (схлопывается) большое количество пузырей, в дисперсионной среде происходит интенсивное перемешивание и силовое воздействие на ее внешние границы. При этом наибольший эффект достигается в том случае, когда поле сил, действующих на реактор, является результатом воздействия вынужденных колебаний, частота которых приближается к частоте собственных колебаний смеси. То есть, в режиме механического резонанса. 

Таким образом, представляется исключительно перспективным направлением развития процессов химической технологии использовать мощную энергетику кавитации для формирования дисперсных систем.

В химической технологии известны процессы перемешивания сыпучих материалов и порошков при помощи проходящего сквозь них воздуха, которые напоминают процесс кипения. Но значительно более эффективно процесс перемешивания и сушки протекает в вибрационном кипящем слое, когда интенсивное перемешивание создается не путем фильтрации газа или жидкости, подаваемых в нижнюю часть фильтрационной площадки или колонны и проходящих сквозь обрабатываемые материалы, а исключительно благодаря низкочастотным вибрационным воздействиям. В этом случае перемешивание происходит при любых скоростях газа или жидкости, без подачи газа под слой порошка, а также в вакууме.

Считалось, что под слоем дисперсного материала (находящегося на вибрационной площадке или колонне, вибрирующих вертикально с ускорением, превышающим ускорение свободного падения частиц), возникают динамические синусоидальные импульсы давления, а также разряжения газа или жидкости, которые за один полный цикл колебаний взаимно компенсируют друг друга.

В 1963 г. московские ученые кандидат технических наук В. А. Членов и доктор технических наук, профессор Н. В. Михайлов (Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН, бывший Институт физической химии АН СССР), исследуя аэродинамические свойства порошков, обнаружили, что сыпучие материалы в вибрационном кипящем слое вместо того, чтобы оказывать сопротивление фильтруемому газу, сами засасывают из-под себя газ и, подобно насосу, транспортируют его к поверхности слоя [5]. 

Опыты проводились в аппарате, внутренняя камера которого была разделена сеткой. Аппарат устанавливался на вибрационной площадке, вибрирующей в вертикальном направлении. На горизонтальную сетку насыпался слой исследуемых порошков. Давление газа в аппарате над слоем материала и под сеткой измерялось чашечными дифференциальными микроманометрами. Аналогичные измерения проводились в аппарате с плоским металлическим дном, на котором лежал сыпучий материал. Давление под слоем измеряли при помощи тонких иголок-трубок, соединенных с микроманометрами.

Опыты показали, что исследуемый вибрирующий квази-кипящий слой создает в аппарате устойчивый статический перепад давления газа. При этом под слоем сыпучего материала возникает разряжение, а над слоем сыпучего материала возникает избыточное давление. Было также установлено влияние различных факторов на величину статического перепада давления газа и выяснен механизм процесса его возникновения в вибрационном кипящем слое. 

Авторами работы было доказано, что статический перепад давления возникает в момент перехода слоя материала из состояния вибрационного разжижения в состояние вибрационного кипения. Этот переход возникает в результате ускорения вибрационной площадки в момент, когда ускорение вибрации площадки становится равным ускорению свободного падения частиц в слое. В случаях, когда параметры вибрации, включая амплитуду, частоту и ускорение, превышают критические, статический перепад давления газа возрастает. В то же время снижение газопроницаемости слоя за счет увеличения его толщины, либо уменьшения размера частиц, также приводит к увеличению статического перепада давления газа. Повышение эффективной вязкости слоя благодаря большей шероховатости поверхности частиц или большей влажности материала вызывает снижение статического перепада давления газа.

Это явление было объяснено тем, что в горизонтальной плоскости вибрационного кипящего слоя возникают периодические изменения плотности сыпучего материала. Перемещаясь снизу вверх, слои с повышенной плотностью транспортируют впереди себя газ, создавая под собой статическое разряжение, а над собой – статическое давление газа.

Описанное открытие «Явление возникновения статического перепада давления газа в виброкипящем слое» было внесено в Государственный реестр открытий СССР под № 138 с приоритетом от 4 июня 1963 г. в следующей формулировке: "Экспериментально  установлено неизвестное ранее явление возникновения статического перепада давления газа в виброкипящем слое, то есть в слое, образованном в результате циклического изменения пористости дисперсного материала, подвергаемого вертикальному вибрационному воздействию с ускорением, превышающим ускорение свободного падения материала в данной среде".

Развивая использование вибрационных методов в физико-химических процессах, Н.В. Михайлов и Р.А. Татевосян в 1970 году подали заявку на изобретение на использование вибрационного воздействия, как способ получения дисперсных систем, сопровождающийся развитием перепадов давлений между различными зонами и турбулентным движением газовых пузырьков, захваченных свободной поверхностью жидкости [6-8]. 

С 1972 по 1975 годы эти исследования поводились в Научно-Исследовательской Лаборатории физико-химической механики и технологических процессов при Институте физической химии АН СССР и Главном Управлении промышленности строительных материалов и деталей при Мосгорисполкоме. Особо следует выделить теоретические разработки, выполненные Андреем Николаевичем Твердохлебовым [9–10]. Однако, до настоящего времени эти работы находятся под грифом «Секретно». 

С 1975 по 1979 годы эти исследования были продолжены в Межотраслевой научно– исследовательской лаборатории при Всесоюзном научно–исследовательском институте продуктов брожения [11–26]. Однако в дальнейшем, в силу ряда субъективных причин, эти исследования в России были прекращены. 

В настоящее время субъективные обстоятельства позволили продолжить в США исследования явления резонансной турбулентности. 

В классическом понимании физико-химической механикой называется раздел коллоидной химии изучающий механические, физические и другие свойства дисперсных систем, а также процессы формирования, устойчивости, разрушения, деформации, минимизации твердых и диспергирования жидких тел [27–36]. 

Физико-химическая механика определилась как отдельное направление в науке в ХХ  столетии в благодаря трудам П. А. Ребиндера, Б.В. Дерягина, М.П. Воларовича, Н.И. Гамаюнова, Г.Д. Диброва, И.Ф. Ефремова, Н.Н. Круглицкого, Н.В. Михайлова, Н.Б. Урьева, В.А. Членова, Н.В. Чураева, Е.Д. Щукина и других ученых. Область физико-химической механики, как науки, охватывает всестороннее изучение молекулярных, структурно-реологических и термодинамических характеристик материалов, в том числе в области нелинейного поведения, при варьировании термодинамических условий, проведении физико-механических испытаний различных материалов, экспериментальном исследовании процессов, с использованием математического моделирования и так далее. 

Началом развития физико-химической механики можно считать 1928 год, когда академиком АН СССР Петром Александровичем Ребиндером был обнаружен эффект, впоследствии названный эффектом Ребиндера, представляющий собой адсорбционное понижение прочности твердого тела в напряженном состоянии, как результат обратимой адсорбции на его поверхности частиц, осевших из экологического пространства. В дальнейшем было установлено, что поверхностными процессами, приводящими к проявлению рассматриваемого явления, могут также быть смачивание, химические реакции, накапливание электрического заряда, пластифицирующее действие среды на твердые материалы, например, органических поверхностно–активных веществ и так далее. 

В настоящее время развитие физико-химической механики происходит на основе представлений об определяющей роли физико–химических явлений на границе раздела фаз. Дисперсные системы, в которых взаимодействие между частицами дисперсной фазы осуществляется через прослойку дисперсионной среды, определяют процессы формирования таких систем, их устойчивость, реологические характеристики (вязкость, пластичность и т.д.), а также их гидродинамические характеристики. 

На основе изучения динамических характеристик формирования дисперсных систем, контактов между элементами дисперсной фазы и дисперсионной среды, физико–химическая механика предлагает методы управления структурно-механическими свойствами дисперсных систем путем оптимизации начальных компонентов рассматриваемых систем и методов технологического воздействия, включая нетрадиционные методы, на формирование этих систем. Одним из основных вопросов физико–химической механики, если не самым важным, является выявление физической природы, определение характера взаимодействия молекулярно–поверхностных сил. 

В России и других странах были проведены исследования, показывающие, что вибрационные процессы оказывают существенное влияние на физико–химические технологические процессы, включая формирование дисперсных систем [37–48], а также развивались методы разработки конструкторских решений по созданию специальных химических реакторов [49]. Особо следует выделить работы И.И. Блехмана и его школы (Л.И. Блехмана, Л.А. Вайсберга, В.Б. Василькова, К.С. Якимова) в Институте проблем машиноведения РАН и НПК «Механоприбор» в городе Санкт–Петербурге [50–56], и В.Б. Федосеева и его школы в Институте металлоорганической химии в Нижнем Новгороде [57– 62].

Опубликованные в открытой печати результаты исследований и конструкторские решения, использующие вибрационные методы и цилиндрические химические реакторы, можно разделить на несколько групп:

!  в 1-й группе имеются патенты, относящиеся к общим методам и реакторам, позволяющим увеличить поверхность раздела фаз обрабатываемых систем [63–65];

!  во 2-й группе имеются патенты, относящиеся к методам и реакторам, использующим перемешивающие устройства с целью увеличения поверхности раздела фаз обрабатываемых систем [66–69];

!  в 3-й группе имеются патенты, относящиеся к методам и реакторам, использующим пузырьковые колонны (как с открытой, так и закрытой верхней частью) с целью увеличения поверхности раздела фаз обрабатываемых систем [70–76];

!  в 4-й группе имеются патенты, относящиеся к методам и реакторам, использующим вибрационные механизмы с целью увеличения поверхности раздела фаз обрабатываемых систем [77–79];

!  в 5-й группе имеются патенты, относящиеся к методам и реакторам, использующим различные физические методы, включая кавитацию с целью увеличения поверхности раздела фаз обрабатываемых систем [80–100];

!  в 6-й группе имеется патент, относящийся к методам и реакторам, использующим механические и физические методы, включая кавитацию с целями, не имеющими непосредственного отношения к увеличению поверхности раздела фаз [101];

!  в 7-й группе имеется патент, относящийся к методам и реакторам, использующим механические и физические методы, включая кавитацию с целью увеличения поверхности раздела фаз [102];

!  в 8-й группе имеются патенты, относящиеся к методам и реакторам, использующим различные вибрационные методы обработки дисперсных систем [103–107];

!  в 9-й группе имеются публикации, относящиеся к исследованиям вибрационных методов, цилиндрических реакторов (или тех и других) с целью увеличения поверхности раздела фаз обрабатываемых систем [108–113];

Наряду с механохимией (наукой, изучающей физико–химические и химические явления, происходящие под влиянием полей механической и физико–механической природы) вибрационная кавитация и резонансная турбулентность существенно влияют на интенсификацию процессов теплообмена и массопереноса в результате поглощения механической энергии вибрации. Было выяснено, что одна из причин активизации формирования дисперсных систем заключается в том, что за счет поглощения энергии вибрации (передаваемой посредством гидродинамического поля), возникновения (по аналогии с ординарной кавитацией), развития и схлопывания пузырей газа, а также разрывов непрерывности жидкой компоненты, имеет место образование вакуумных каверн, распределенных в дисперсионной среде. При разрывах пузырей парогазовой смеси и вакуумных каверн внутри дисперсионной среды происходит перенос молекулами газа и пара энергии вибрации, а также их ассоциация и диссоциация.  

В работе приводятся следующие результаты: 

•        предложено математическое описания явлений вибрационной кавитации и резонансной турбулентности; 

•        рассмотрена математическая модель динамики развития парогазового пузырька и процессов, происходящих на поверхности раздела фаз;

•        рассмотрена конструкция и результаты исследований процессов теплообмена и массопереноса на физической модели пузырька: 

•        проведено математическое обоснование и разработана методика измерения полей внутренних давлений в процессе формирования дисперсных систем и проведен математический анализ погрешности измерений;

•        предложенные конструкции реакторов для реализации рассматриваемого явления. В том числе, изготовленных в виде многосекционных конструкций, в которых основная часть выполнена в форме прямого цилиндра, ступенчатого цилиндра, либо эллиптического гиперболоида, отличающихся диаметром от других модулей реактора. Эта конструкционная гибкость позволит проектировать реакторы для работы в прерывистом или непрерывном режимах. 

Предложенные автором изобретения [1–3], относящиеся к практическому использованию рассматриваемых явлений в дискретном и непрерывном режимах, предлагают прорывные технологические решения для формирования дисперсных систем типа: жидкость–жидкость, жидкость–газ, жидкость–жидкость–газ, жидкость–твердое тело–газ и так далее.  

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Данная монография является теоретической основой исследования явлений вибрационной кавитации и резонансной турбулентности для решения конкретных технологических задач.

Для практического использования этих явлений в физико–химической технологии необходимо провести экспериментальные исследования процессов развития внутренних напряжений и влияния внешних возмущающих сил вибрационного воздействия на развитие капиллярно–поверхностных сил и сил межмолекулярного взаимодействия, развивающихся в ходе формировании дисперсных систем в режимах вибрационной кавитации и резонансной турбулентности в дискретном и непрерывном режимах. 

Кроме того, необходимо определить влияние различных факторов на устойчивость, физико-химические и реологические характеристики дисперсных систем, провести технологические исследования для определения наиболее целесообразных областей их применения, а также рассмотреть экономическую эффективность рассматриваемых режимов для решения конкретных задач. 

Особым перспективным направлением предлагаемой прорывной технологии может быть производство изделий, в состав которых входят различные композиционные материалы, керамика и металлы. Такие новые изделия могут отличаться от существующих механическими, физическими, физико-механическими и иными свойствами. Например, заполнение пористой керамики или губчатого титана материалами, придающими таким изделиям существенно улучшенные или принципиально новые свойства. 

Другим направлением может быть создание многокомпонентных сплавов (например, на основе алюминия, магния и титана с небольшими, в процентном отношении, добавками, например, циркония и прочих редких металлов), а также сплавов которых не всегда возможно создать в земных условиях. Такие сплавы могут быть созданы в условиях ускорений силы тяжести, превышающих земное тяготение в 20–50 раз. Эти уникальные сплавы, обладающие принципиально новыми свойствами, позволят использовать их в условиях агрессивных сред, перепадов давлений и широкого спектра температурных режимов для нужд химического машиностроения, автомобиле– и судостроении, аэрокосмической технологии и прочих прорывных отраслях науки и техники.