Экспериментальное исследование динамики твердых и газовых включений в жидкости в вибрационном и акустическом полях

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы,
сформулированы цель и задачи, показана научная новизна исследований, 6
описана теоретическая и практическая значимость полученных результатов, представлены положения, выносимые на защиту.
В первой главе представлены результаты экспериментального исследования поведения двухфазной системы при наличии горизонтальных неакустических вибраций линейной поляризации. Эксперименты проводились для систем, состоящих из водных растворов глицерина разной концентрации и стальных шариков радиусом r0 = 2,25 мм и плотностью материала ρ0 = 7,8 г/см3. Количество шариков составляло N = 150. Амплитуда вибраций варьировалась в диапазоне a = 0,5 ÷ 4,8 мм, частота вибраций в интервале ω = 30 ÷ 190 с-1. Шарики помещались в заполненную жидкостью герметичную кювету в форме параллелепипеда с оргстеклянными стенками. Кювета имела размеры 110×200×15 мм3 и прикреплялась к столу вибратора строго горизонтально. Над кюветой закреплялась цифровая камера, позволяющая следить за поведением двухфазной системы Схема экспериментальной установки представлена на Рис.1.
Рис.1 Схема экспериментальной установки: а) 1 – усилитель УМК-2000, 2 – генератор сигналов специальной формы GFG-8219A, 3 – электродинамический вибратор V650, 4 – цифровая камера Nikon D3500, 5 – портативный виброметр ВВМ-311, 6 – экспериментальная кювета
Найдено, что на первой достаточно короткой стадии действие вибраций приводило к формированию кластеров, состоящих из нескольких шариков. Дальнейшая эволюция системы заключалась в формировании линейных цепочек, ориентированных перпендикулярно направлению вибраций. При увеличении частоты и амплитуды вибраций, наблюдалось разделение фаз: шарики собирались у одной из стенок кюветы, при этом граница раздела чистая жидкость – металлические шарики в жидкости ориентировалась перпендикулярно направлению вибраций. Наблюдаемое в экспериментах квазиравновесное состояние, соответствующее разделению фаз, аналогично квазиравновесному состоянию двухслойной системы газ-жидкость в
7

прямоугольном сосуде, подверженном высокочастотным горизонтальным вибрациям называемое «ориентирующим эффектом вибраций»1. 1.1
Таким образом в зависимости от параметров вибраций, возможны 3 различных режима поведения системы. При малых амплитудах и частотах вибраций частицы случайно распределены по объему (режим 1). При амплитудах вибраций в диапазоне amin ÷ amax и частотах в диапазоне ωmin ÷ ωmax в жидкости формируются устойчивые периодические структуры, представляющие собой цепочки из шариков, ориентированные перпендикулярно оси вибраций (режим 2). При больших амплитудах и частотах вибраций все шарики собираются у одной из стенок кюветы, при этом граница раздела чистая жидкость – водоглицериновый раствор с плотно упакованными шариками, ориентируется перпендикулярно направлению вибраций (режим 3). Карта режимов на плоскости параметров частота вибраций – амплитуда вибраций и экспериментальные фотографии различных режимов приведены на Рис.2 а, б.
а) б)
Рис.2 а) Карта режимов на плоскости параметров амплитуда вибраций –
частота вибраций, б) экспериментальные фотографии различных режимов
На Рис.3 а, б приведены карты режимов на плоскостях частота вибраций – амплитуда скорости вибраций, амплитуда вибраций – амплитуда скорости вибраций соответственно. Как видно из этих рисунков, области существования режимов 1, 2, 3 по амплитуде скорости вибраций близки к горизонтальным слоям, т.е. определяющим параметром, ответственным за существование различных режимов, является амплитуда скорости вибраций.
1 Lyubimov D. V., Cherepanov A. A., Lyubimova T. P., Roux B. Vibration influence on the dynamics of a two-phase system in weightlessness conditions // Le Journal de Physique IV. – 2001. – Т. 11. – No. PR6. – С.83-90.
180
120
90 60 30
012345
а, мм
Случайное распределение
Устойчивые структуры
Разделение фаз
8
ω, с-1

600
300
0
0 50 100 150 200
ω, с-1
600 450 300 150
0,00 2,00 4,00
а, мм
а) б)
Рис.3 Карты режимов на плоскостях: а) частота вибраций – амплитуда скорости вибраций, б) амплитуда вибраций – амплитуда скорости вибраций
В первой главе представлены также результаты исследования зависимости пространственного периода структур от параметров вибраций и вязкости жидкости. В этих экспериментах кинематическая вязкость жидкости варьировалась в диапазоне от 1,9 до 29,6 сСт. Ранее, исследователями был сделан вывод о том, что пространственный период структур пропорционален
толщине вязкого слоя Стокса 2  = (2 /  )1/ 2 . Проведенные при разных
амплитудах и частотах вибраций и вязкостях жидкостей эксперименты показали, что пространственный период структур пропорционален а, ω-1/2 и ν1/2. На Рис.4 приведена зависимость безразмерного пространственного периода структур δR = δ/r0 от безразмерной толщины вязкого слоя Стокса λR = λ/r0. Как видно полученные в экспериментах точки хорошо ложатся на единую прямую λR = CδR, где C – константа. Результаты регрессионного анализа показали, что С ≈ 45. Таким образом, эксперименты подтвердили гипотезу о пропорциональности пространственного периода структур толщине вязкого слоя Стокса.
В первой главе также численно методом молекулярной динамики исследовано поведение ансамбля твердых сферических частиц в колеблющейся вязкой жидкости. Для двумерного случая показано формирование равноотстоящих линейных цепочек, ориентированных перпендикулярно направлению вибраций. В рамках трехмерного подхода численно исследовано поведение ансамбля твердых сферических частиц в колеблющейся вязкой жидкости в полостях, имеющих форму параллелепипеда. Обнаружено формирование квазистационарных
2 Lyubimova T., Lyubimov D., Shardin M. The interaction of rigid cylinders in a low Reynolds number pulsational flow // Microgravity Science and Technology. – 2011. – Т. 23. – No. 3. – С. 305-309.
aω, мм/c
aω, мм/c

периодических структур, имеющих вид равноотстоящих плоских слоев частиц, ортогональных направлению вибраций (Рис.5).
7,0 6,0 5,0 4,0 3,0 2,0 1,0
0,01 0,03 0,05
δR
0,07 0,09
Рис.4 Зависимость безразмерного пространственного периода структур от безразмерной толщины вязкого слоя Стокса (символы – эксперимент, прямая линия – аппроксимационная прямая)
Рис.5 Полученное в трехмерных численных расчетах квазистационарное распределение частиц по объему
Вторая и третья главы диссертации посвящены исследованию влияния акустических вибраций ультразвуковой частоты на поведение многофазных сред. Актуальность этого исследования связана с применением УЗ воздействия на процесс флотации. Флотационная пульпа представляет из себя многофазную систему, состоящую из твердых частиц руды, жидкости (как правило воды), газовых пузырьков и реагентов (ПАВ и др.), из которой извлекается одна из компонент руды за счет процесса закрепления пузырьков на гидрофобизированных частицах руды и их всплытия. Во второй главе исследуется поведение такой системы при УЗ воздействии, а в третьей главе изучаются возможности интенсификации процесса флотации с помощью УЗ.
Вторая глава состоит из двух разделов, в первом из которых изучается поведение пузырьков в объеме жидкости, во втором – поведение пузырьков вблизи помещенных в жидкость твердых пластин. В экспериментах использовалась кювета, имеющая форму параллелепипеда, с внешними размерами 110×116×160 мм3. Кювета была изготовлена из оргстекла толщиной 3 мм. В качестве источника ультразвука использовался пьезокерамический излучатель, прикрепленный к металлическому диску из нержавеющей стали диаметром 88 мм, размещенный на дне кюветы внутри её так, чтобы центр излучателя совпадал с центром дна ячейки. Он подключался к генератору УЗ вибраций с частотой f = 28 кГц или 40 кГц и максимальной мощностью
λR

P=60Вт. С помощью высокоскоростных камер в объеме жидкости и в плоскости лазерного ножа, регистрировались пузырьки, формирующиеся в результате УЗ воздействия на жидкость. На основе этих данных, методами машинного зрения, вычислялась относительная площадь, засвеченная пузырьками в плоскости лазерного ножа. В качестве жидкостей использовались дистиллированная вода и водные растворы химически чистых солей NaCl и KCl и ПАВ (SDS).
Эксперименты по исследованию поведения пузырьков в объеме для водных растворов ПАВ показали, что относительная площадь, засвеченная пузырьками, уменьшается с увеличением концентрации ПАВ, что аналогично
зависимости дзета-потенциала пузырьков от концентрации ПАВ3,4 Найдено,
3 ,4
что диаметр пузырьков, возникающих при наличии УЗ воздействия уменьшается с увеличением концентрации солей NaCl и KCl в результате ингибирования коалесценции (Рис.6). Обнаружено, что ультразвуковое воздействие может приводить к значительному повышению критической концентрации коалесценции (ККК) для водных растворов соли NaCl по сравнению со случаем отсутствия УЗ воздействия5,6. 56 Показано, что существуют различия в эволюции популяции пузырьков в чистой воде и растворах солей и ПАВ. В случае чистой воды, относительная площадь, засвеченная пузырьками, S/S* резко нарастает после включения УЗ на протяжении 12 секунд, а затем медленно спадает. В случае растворов солей и ПАВ участки резкого роста и медленного спадания величины S/S* отсутствовали, величина S/S* оставалась неизменной на протяжении всего эксперимента, что связано с процессом ингибирования коалесценции.
В экспериментах по изучению поведения пузырьков вблизи твердых пластин, погруженных в жидкость, обнаружено, что под действием ультразвука около гидрофильной поверхности кварца образуются пузырьки, большая часть которых всплывает при выключении УЗ.
В случае гидрофобной поверхности тефлона пузырьки остаются прикрепленными к поверхности на всех этапах эксперимента, образуя агломераты (Рис.7). Скорость роста пузырьковой популяции на гидрофобной поверхности тефлона с краевым углом смачивания 99° более чем на два порядка выше, чем на поверхности акрила с краевым углом смачивания 78°.
3 Najafi A. S. et al. A novel method of measuring electrophoretic mobility of gas bubbles // Journal of colloid and interface science. – 2007. – Т. 308. – No. 2. – С. 344-350.
4 Ushikubo F. Y. et al. Zeta-potential of Micro-and/or Nano-bubbles in Water Produced by Some Kinds of Gases // IFAC Proceedings Volumes. – 2010. – Т. 43. – No. 26.
5 Quinn J. J. et al. Critical coalescence concentration of inorganic salt solutions // Minerals Engineering. – 2014. – Т. 58. – С.1-6.
6 Firouzi M., Nguyen A. V. Сritical salt concentration in bubble coalescence inhibition: effect of dissolved gases and hydrophobic attraction // Drainage and Stability of Foam Films during Bubble Coalescence in Aqueous Salt Solutions. – 2014. – С.105.
Рис.6 Зависимость нормированного диаметра пузырька от массовой концентрации солей NaCl и KCl, P = 100 Вт, f = 40 кГц
Рис.7 Фотографии поверхностей твердых пластин в дистиллированной воде после t = 800 с воздействия ультразвука: а) – кварц, б) – акриловое стекло, в) – тефлон
Найдено, что на скорость роста относительной площади, занимаемой пузырьками, существенно влияет концентрация газа в воде (Рис. 8 б). В отсутствие предварительной дегазации площадь поверхности, покрытая пузырьками, быстро растет до насыщения. В частично дегазированной воде зависимость от времени относительной площади, занимаемой пузырьками на поверхности акрила, близка к линейной. В случае длительной дегазации воды пузырьки не закрепляются на поверхностях акрилового стекла и кварца, тогда как на поверхности тефлона они остаются прикрепленными на всех этапах эксперимента.
а) б)
Рис.7 Зависимости относительной площади поверхности, покрытой пузырьками от времени УЗ воздействия в дистиллированной воде (нормальной газированной и частично дегазированной) для пластин из
тефлона и акрила
В третьей главе представлены результаты исследования процесса флотации калийной руды при УЗ воздействии. При одинаковой дозировке ПАВ извлечение KCl и NaCl в отсутствие ультразвуковой обработки зависит от крупности руды (Рис.8). При уменьшении размера частиц от 0,5 – 1 до 0,25 – 0,5 извлечение KCl в пенный продукт увеличивается с 82% до 97%, что по- видимому связано с низкой вероятностью отрыва частиц от пузырьков по сравнению с крупной фракцией, что увеличивает общую вероятность фиксации частиц на пузырьках.
100
60
20
0
KCl (%)
NaCl (%)
-1+0.5
-0.5+0.25
-0.25+0.1
Size fraction, mm
Рис.8 Извлечение KCl и NaCl для фракций разного размера
Результаты экспериментов по флотации калийной руды при УЗ обработке показали максимальную эффективность для мелкозернистых фракций (0,1 – 0,25 мм). Извлечение KCl не зависело от режима,
Recovery (%)

продолжительности и мощности ультразвуковой обработки и оставалось на уровне 94 ÷ 97% (Рис.9). При этом извлечение NaCl снизилось с 17,91% (в отсутствие ультразвука) до 9,91% при комбинированном режиме ультразвукового воздействия (во время перемешивания с реагентами и флотации) мощностью P = 45%. При той же самой мощности, в случае воздействия ультразвука только во время флотации не оказало существенного влияния на извлечение NaCl в пенный продукт, которое осталось на уровне 15,2%, аналогично извлечению в отсутствие ультразвуковой обработки (16,47%).
100 25 80 20 60 15 40 10 20 5
KCl NaCl
US=0
P = 0 % P = 45 %
P, %
US=73%
P = 45 % Комбинированная обработка
P = 73 % Flotation
Рис.9 Сравнение двух методов ультразвуковой обработки минеральной суспензии для флотации солей KCl и NaCl: (0,1 – 0,25 мм; расход NORAM SH: 100 г / т)
Обнаружено, что ультразвук оказывает значительное влияние на флотацию крупных частиц за счет усиления отрыва частиц от пузырьков. Обработка ультразвуком высокой интенсивности приводит к значительному увеличению селективности средней (0,5 – 0,25 мм) и мелкой (0,25 – 0,1 мм) фракций с соответствующим снижением извлечения сильвина из-за уменьшения поверхностной гидрофобизации и усиленному отрыву частиц от пузырьков. При мощности обработки ультразвуком до P = 45%, извлечение сильвина из фракции среднего размера остается неизменным и высоким (90 – 92%), в то время как извлечение NaCl снижается. На флотацию KCl из мелкозернистой фракции (0,25 – 0,1 мм) обработка ультразвуком не влияет, в то время как извлечение галита значительно снижается, что позволяет переработать фракцию такой крупности, которая, по традиционной схеме переработки калийной руды, сбрасывается в хвосты. Полученные экспериментальные данные, могут помочь инженерам отрасли оптимизировать параметры обработки ультразвуком, когда требуется повышение селективности между сильвином и галитом. Уменьшение
Извлечение KCl (%)
Извлечение NaCl (%)

содержания NaCl в концентрате при обработке ультразвуком может разблокировать руду с низким содержанием или уменьшить потери сильвина с фракциями шлама.
В Заключении приводятся основные результаты, полученные в диссертационной работе.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. Экспериментально исследовано поведение двухфазной системы металлические шарики – водные растворы глицерина под действием поступательных линейно поляризованных вибраций. Впервые обнаружено существование трех режимов системы: 1) случайное распределение частиц по объёму; 2) существование устойчивых пространственно-периодических структур, ориентированных перпендикулярно направлению вибраций; 3) разделение фаз с границей раздела чистая жидкость – упаковка частиц, с границей перпендикулярной к направлению вибраций. Построена карта режимов. Показано, что определяющим параметром, ответственным за существование различных режимов является амплитуда скорости вибраций.
2. Впервые определены зависимости пространственного периода квазистационарных структур от частоты и амплитуды вибраций и вязкости жидкости. Подтверждена гипотеза о том, что пространственный период образующихся структур пропорционален толщине вязкого слоя Стокса.
3. Численно исследована динамика ансамбля твердых сферических частицы в колеблющейся вязкой жидкости. В случае двумерной задачи обнаружено формирование равноотстоящих линейных цепочек, ориентированных перпендикулярно направлению вибраций.
4. Впервые численно исследовано поведение ансамбля твердых сферических частицы в колеблющейся вязкой жидкости в рамках трехмерного подхода. Обнаружено формирование равноотстоящих плоских слоев частиц, ортогональных направлению вибраций.
5. Экспериментально, оптическими методами исследовано поведение пузырьков в воде, водных растворах солей и ПАВ, включая динамику пузырьков вблизи твердых границ при наличии УЗ воздействия. Найдено, что зависимость относительной площади, засвеченной пузырьками от концентрации ПАВ аналогична зависимости дзета-потенциала пузырьков от концентрации ПАВ.
6.Определено, что диаметр пузырьков, возникающих в УЗ поле, уменьшается с увеличением концентрации солей NaCl и KCl и ПАВ в результате ингибирования коалесценции. Обнаружено, что УЗ-воздействие приводит к повышению критической концентрации коалесценции (ККК) для водных растворов NaCl более чем в три раза.
7. В дистиллированной воде под действием ультразвука у гидрофильной поверхности кварца образуются пузырьки, большая часть которых
поднимается при выключении УЗ. На гидрофобной поверхности пузырьки остаются прикрепленными к ней на всех этапах эксперимента, образуя кластеры.
8. Скорость роста пузырьковой популяции на гидрофобной поверхности тефлона, более чем на два порядка выше по сравнению менее гидрофобной поверхностью акрила.
9. Экспериментально исследована возможность интенсификации флотационного разделения калийной руды с использованием УЗ обработки. Показано, что эффективность флотации зависит от размера частиц, мощности ультразвука и продолжительности воздействия. Обработка ультразвуком приводит к значительному увеличению селективности средней мелкой фракций руды из-за уменьшения поверхностной гидрофобизации и усиленного отрыва частиц галита от пузырьков.