Modell zur Berechnung der Schalldämpfung in einem Ultraschallreaktor

Abstract

Seit Anfang dieses Jahrhunderts wird die Anwendung von Ultraschall zum Anregen von chemischen Reaktionen eingesetzt [l], Aber erst seit einigen Jahren wird dieses Phanomen intensiver erforscht [2,3]. Die Wirkung des Ultraschalls auf chemische Reaktionen laRt sich durch die Entstehung der kavitierenden Blasen erklaren. Durch Entstehung von Blasen andern sich die Schallausbreitungseigenschaften dramatisch und der Schall wird sehr stark abgeschwacht. Dariiber hinaus ist es wichtig fur die Konstruktion eines U1traschallreaktors, die Dampfung zu untersuchen. Das Ziel dieser Arbeit ist es, die Dampfung in einer blasenhaltigen Mischung und in einer Dreiphasenmischung mit einer ebenen Druckwelle zu simulieren 1 Dampfung in einer blasenhaltigen Flussigkeit In Anwesenheit von Blasen werden die Eigenschaften des Schalls und der Fliissigkeit dramatisch geandert. Daruber hinaus werden auch die Dampfungseigenschaften veran-* Dip1.-Ing. Clausthal-Zellerfeld. dert. Die Schallenergie wird zum groRen Teil durch die vom Schallwechseldruck zum Pulsieren angeregten Blasen absorbiert. Dieser Energieverlust dominiert den Gesamtverlust an Schallenergie. Die Anwesenheit von Blasen hat auf die akustischen Eigenschaften der Flussigkeit zwei zusammenhangende Effekte. Erstens andern sich die Flussigkeitskompressibilitat und die Schallgeschwindigkeit in der Fluidphase; zweitens findet eine Dampfung der Blasenschwingung statt, da die Pulsationsenergie der Schallwellen teils in Warme und teils in Bildung neuer Schallwellen umgewandelt wird. Die h d e r u n g der Schallgeschwindigkeit wird hauptsachlich aufgrund der Kompressibilitatsanderung verursacht. Diese h d e r u n g verursacht Reflektion und Refraktion, die an der BlaselFliissigkeits-Grenzflache vorkommt, wahrend die Energie den Schallwellen entzogen wird und die schwingenden Blasen die Welle abschwachen. Dariiber hinaus werden die Phasengeschwindigkeit des Schalls und der Dampfungskoeffizient der Flussigkeit als prinzipielle akustische Charakteristika eine-r Blasenmischung angesehen. Diese akustische Charakteristik hangt wesentlich von den physikalischen Eigenschaften des Gemisches wie der BlasengroRe und dem Volumenanteil -Blase zu Fliissigkeitund von der venvendeten Frequenz ab. 1.1 Dampfung der Blasenschwingung und akustische Naherung Eine pulsierende Blase kann Energieverlust verursachen [5-7], Dieser Energieverlust, der aus den pulsierenden Blasen herriihrt, lafit sich in folgende Mechanismen unterteilen: -Wahrend der Blasenpulsation werden neue akustische Wellen erzeugt, die Energie ableiten. Diese Dampfungsart bezeichnet man als Strahlungsdampfung. Da eine Temperaturdifferenz zwischen der Umgebung (Flussigkeit) und den Blasen herrscht, tritt Energieverlust durch Warmeleitung auf. Diese Damfpungsart wird als thermische Dampfung bezeichnet. Wahrend der Pulsationsvorgange wird die Blasenbewegung von der viskosen Umgebung gebremst. Die Verzogerung wird als viskose Dampfung bezeichnet. Fur die periodische Druckpulsation wird ein allgemeiner harmonischer Ansatz venvendet. Daraus folgt d...