Особенности акустической эмиссии, сопровождающей работу механических активаторов гидродинамических процессов в стесненных условиях

Инна Ивановна Растегаева; Игорь Анатольевич Растегаев; Дмитрий Львович Мерсон

doi:10.22213/2410-9304-2022-4-20-33

Авторы

И. И. Растегаева Тольяттинский государственный университет
И. А. Растегаев Тольяттинский государственный университет
Д. Л. Мерсон Тольяттинский государственный университет

DOI:

https://doi.org/10.22213/2410-9304-2022-4-20-33

Ключевые слова:

акустическая эмиссия, роторные устройства, гидродинамическая обработка жидкостей, лопастные активаторы, открытая турбина, дисковые активаторы, кавитация

Аннотация

Для оценки возможности применения метода акустической эмиссии в направлении подбора активаторов гидродинамических процессов роторных аппаратов (установок) обработки жидких сред в стесненных условиях проведены экспериментальные исследования гидродинамических и акустических эффектов, сопровождающих два основных режима их применения: первый - работа в режиме циклического изменения частоты вращения активатора, второй - работа в режиме фиксированной частоты вращения активатора. В исследованиях использованы семь форм гидродинамических активаторов трех типов (лопастной, турбинный и дисковый) и роторно-импульсный аппарат, применяющийся для обеззараживания смазочно-охлаждающих жидкостей. С помощью обычной и высокоскоростной видеосъемки выявлены основные гидродинамические эффекты, сопровождающие работу активатора каждого типа, которые сопоставлены с установленными акустическими эффектами и измерениями температуры и центробежного критерия Рейнольдса. По результатам исследований показана возможность и установлены ограничения применения метода акустической эмиссии для сравнения эффективности активаторов и режимов обработки жидкости в роторно-импульсных аппаратах в условиях ее турбулентного движения. При стесненных условиях работы активаторов, имитированных шириной рабочей камеры, выявлен ранее не описанный в литературе пик акустической эмиссии, отличающийся от шума, сопровождающий турбулентное движение жидкости. Также установлена взаимосвязь изменения амплитуды пика акустической эмиссии со скоростью изменения оборотов вращения активаторов и скоростью прокачки среды через рабочую камеру роторно-импульсного аппарата. Полученные результаты могут быть использованы для подбора и сравнения формы активаторов гидродинамических процессов, а также для подбора и поддержания эффективного режима обеззараживания водных растворов.

Биографии авторов

И. И. Растегаева, Тольяттинский государственный университет

старший преподаватель кафедры «Нанотехнология, материаловедение, механика»

И. А. Растегаев, Тольяттинский государственный университет

кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник

Д. Л. Мерсон, Тольяттинский государственный университет

доктор физико-математических наук, профессор

Библиографические ссылки

Промтов М. А. Пульсационные аппараты роторного типа: теория и практика : монография. М. : Машиностроение-1, 2001. 260 с.

Абиев Р. Ш. Пульсационные аппараты нового поколения - энерго- и ресурсосберегающее оборудование химических производств // Химическая промышленность сегодня. 2008. № 4. С. 46-54.

Сафонова Е. А., Потапов А. Н., Вагайцева Е. А. Интенсификация технологических процессов производства пива при использовании роторно-пульсационного аппарата // Техника и технология пищевых производств. 2015. № 1. С. 74-81.

Gogate R. P. Cavitational reactors for process intensification of chemical processing applications: A critical review // Chemical Engineering and Processing. 2008. V.47. P. 515-527. DOI: 10.1016/J.CEP.2007.09.014.

Banakar V.V., Sabnis S.S., Gogate P.R. et al. Ultrasound assisted continuous processing in microreactors with focus on crystallization and chemical synthesis: A critical review // Chemical Engineering Research and Design. 2022. V. 182. P. 273-289. DOI: 10.1016/j.cherd.2022.03.049.

Dixi D., Thanekar P., Bhandari V.M. Degradation of API pollutants using hydrodynamic cavitation and process intensification // Chemical Engineering and Processing. Process Intensification. 2022. V. 172. 108799. DOI: 10.1016/j.cep.2022.108799.

Промтов М. А. Перспективы применения кавитационных технологий для интенсификации химико-технологических процессов // Вестник ТГТУ. 2008. № 14(4). С. 861-869.

Forte G., Alberini F., Simmons M., Stitt H.E. Use of acoustic emission in combination with machine learning: monitoring of gas-liquid mixing in stirred tanks // Journal of Intelligent Manufacturing. 2021. № 32. Р. 633-647. DOI: 10.1007/s10845-020-01611-z.

Crouter A., Briens L. Passive acoustic emissions from particulates in a V-blender / Drug Development and Industrial Pharmacy. 2015. 41(11). Р. 1809-1818. DOI: 10.3109/03639045.2015.10099 13.

Синявский Ю. В. Усовершенствованный метод расчета мощности перемешивающего устройства // Научный журнал НИУ ИТМО. Серия «Процессы и аппараты пищевых производств». 2018. № 4. С. 3-14. DOI: 10.17586/2310-1164-2018-11-4-3-14.

Boyd J.W.R., Varley J. The uses of passive measurement of acoustic emissions from chemical engineering processes // Chemical Engineering Science. 2001. № 56. Р. 1749-1767. DOI: 10.1016/S0009-2509(00) 00540-6.

Nordon A., Carella Y., Gachagan A., Littlejohn D., Hayward G. Factors affecting broadband acoustic emission measurements of a heterogeneous reaction // The Analyst. 2006. 131(2). Р. 323-330. DOI: 10.1039/B510922A.

Valentin D., Presas A., Egusquiza M. et al. Transmission of High Frequency Vibrations in Rotating Systems. Application to Cavitation Detection in Hydraulic Turbines // Applied Sciences. 2018. 8(3). 451. DOI: 10.3390/app8030451.

Escaler X., Ekanger J.V., Francke H.H. et al. Detection of Draft Tube Surge and Erosive Blade Cavitation in a Full-Scale Francis Turbine // Journal of Fluids Engineering. 2014. 137(1). 011103. DOI: 10.1115/1.4027541.

Чудина М. Шум как индикатор кавитации в центробежном насосе // Акустический журнал. 2003. Т. 49, № 4. С. 551-564.

Shi H., Li Z., Bi Y. An On-line Cavitation Monitoring System for Large Kaplan Turbines / IEEE Power Engineering Society General Meeting. 2007. Р. 1-6. DOI: 10.1109/PES.2007.385723.

Пичков С. Н., Захаров Д. А., Новицкий Э. Г. Исследование кавитационных процессов в насосном оборудовании акустическим методом // Труды НГТУ им. Р. Е. Алексеева. 2018. Т. 132, № 4 (123). С. 158-163.

Jamaludin N., Mba D. Monitoring extremely slow rolling element bearings: Part I and Part II // NDT&E International. 2002. 35(6). C. 349-366. DOI: 10.1016/S0963-8695(02)00006-3.

Presas A., Valentin D., Egusquiza E. et al. Influence of the rotation on the natural frequencies of a submerged-confined disk in water // Journal of Sound and Vibration. 2015. 337. Р. 161-180. DOI: 10.1016/j.jsv.2014.10.032.

Цыбускина И. И., Диженин В. В., Викарчук А. А. Кавитационно-тепловая обработка жидкостей как эффективный метод защиты от биопоражений // Известия Самарского научного центра РАН. 2010. Т. 12, № 1 (9). С. 2266-2270.

Растегаева И. И., Диженин В. В., Викарчук А. А. Безреагентные методы обеззараживания смазочно-охлаждающих жидкостей // Вектор науки ТГУ. 2010. № 2 (12). С. 15-19.

Кнепп Р., Дейли Д., Хэммит Ф. Кавитация. М. : Мир, 1974. 668 с.

Исаков А. Я., Исаков А. А. Кавитация в перемешивающих устройствах : монография. Петропавловск-Камчатский : КамчатГТУ, 2006. 206 с.

Там же.

Сиротюк М. Г. Акустическая кавитация. М. : Наука, 2008. 271 с.

Пылаев Н. И., Эдель Ю. У. Кавитация в гидротурбинах. Л. : Машиностроение, 1974. 256 с.

Li W., Li E., Shi W., Li W., Xu X. Numerical Simulation of Cavitation Performance in Engine Cooling Water Pump Based on a Corrected Cavitation Model // Processes. 2020. 8. 278. DOI: 10.3390/pr8030278.

Оптимизация режимов обработки жидких сред в роторных устройствах на основе метода акустической эмиссии с системой обратной связи / И. И. Растегаева, И. А. Растегаев, А. А. Викарчук и др. // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2012. № 5. С. 25-31.

Al-Arabi A.A.B., Selim S.M.A., Saidur R. et al. Detection of Cavitation in Centrifugal Pumps // Australian Journal of Basic and Applied Sciences. 2011. 5 (10). Р. 1260-1267.

Trivedi C. A review on fluid structure interaction in hydraulic turbines: A focus on hydrodynamic damping // Engineering Failure Analysis. 2017. V. 77. Р. 1-22. DOI: 10.1016/j.engfailanal.2017.02.021.

Louyot M., Nennemann B., Monette C., Gosselin F.P. Modal analysis of a spinning disk in a dense fluid as a model for high head hydraulic turbines // Journal of Fluids and Structures. 2020. 94. 102965. DOI:10.1016/j.jfluidstructs.2020.102965.

Промтов М. А., Степанов А. Ю., Алешин А. В. Методы расчета характеристик роторного импульсного аппарата: монография. Тамбов : Изд-во ФГБОУ ВПО «ТГТУ», 2015. 148 с.

Червяков В. М., Юдаев В. Ф. Гидродинамические и кавитационные явления в роторных аппаратах : монография. М. : Машиностроение-1, 2007. 128 с.