Оптимизация расположения и размеров источников ультразвукового воздействия при возбуждении колебаний плоского физического объекта конечной толщины

Аннотация

Приведенные результаты исследований направлены на повышение эффективности процессов, реализуемых в тонких слоях различных материалов, которые созданы на пластинах (при поглощении газов жидкостями, диспергировании жидкостей, отводе теплоты, сушке формируемых покрытий, удалении льда и инородных покрытий), за счет формирования колебаний их поверхности на ультразвуковой частоте с заданной амплитудой. Для достижения необходимой амплитуды колебаний пластин и обеспечения равномерности ее распределения вдоль поверхности предложено оптимальное размещение ультразвуковых излучателей определенного размера. В качестве критерия оптимальности использована интегральная мощность колебаний всей пластины, формируемая определенным числом излучателей. Предложенная и разработанная численная модель формирования колебаний в пластине основана на решении бигармонического уравнения для распределения амплитуд колебаний с учетом конечности ее толщины и обеспечивает выбор числа, расположения и размеров ультразвуковых излучателей, необходимых для решения конкретной задачи. Результаты моделирования позволили установить, что оптимальное расположение излучателей зависит от специфических характеристик, которые необходимо учитывать при решении задачи оптимизации размеров и расположения ультразвуковых излучателей для каждой конкретной пластины. Проведенные расчеты показали высокую эффективность созданной модели и возможность ее практического применения для решения задач в различных отраслях промышленности

Работа выполнена при поддержке РНФ (грант № 22-29-00828 "Кавитационно-акустическое формирование многосвязной межфазной поверхности "газ--жидкость" для решения проблемы высокоэффективного поглощения газов", https://rscf.ru/en/project/22-29-00828/)

Просьба ссылаться на эту статью следующим образом:

Хмелев В.Н., Голых Р.Н., Цыганок С.Н. и др. Оптимизация расположения и размеров источников ультразвукового воздействия при возбуждении колебаний плоского физического объекта конечной толщины. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Естественные науки, 2024, № 3 (114), с. 133--148. EDN: TBQSDK

Литература

[1] Boev E.V., Afanasenko V.G., Boeva N.I. Development of a design of the mixer for an intensification of chemical and technological processes in the industry. J. Phys.: Conf. Ser., 2020, vol. 1515, no. 4, art. 042001. DOI: https://doi.org/10.1088/1742-6596/1515/4/042001

[2] Shtepa V., Balintova M., Shykunets A., et al. Intensification of waste valorization techniques for biogas production on the example of Clarias gariepinus droppings. Fermentation, 2023, vol. 9, iss. 3, art. 225. DOI: https://doi.org/10.3390/fermentation9030225

[3] Khmelev V.N., Barsukov R.V., Tsyganok S.N., et al. Ultrasonic devices for non-contact intensification of technological processes. Fibre Chem., 2022, vol. 53, no. 9, pp. 391--394. DOI: https://doi.org/10.1007/s10692-022-10310-9

[4] Ojha S., Mallia J., Spiteri D., et al. Ultrasonic decontamination and process intensification. In: Gavahian M. (eds). Emerging Food Processing Technologies. Methods and Protocols in Food Science. Humana, New York, NY, Springer, 2022, pp. 113--131. DOI: https://doi.org/10.1007/978-1-0716-2136-3_8

[5] Хмелев В.Н., Барсуков Р.В., Барсуков А.Р. и др. Ультразвуковой технологический аппарат с пятью рабочими инструментами различного диаметра для проведения научных исследований. Южно-Сибирский научный вестник, 2022, т. 4, № 44, с. 106--109. DOI: https://doi.org/10.25699/SSSB.2022.44.4.003

[6] Svilainis L. Special issue on ultrasonic transducers and related apparatus and applications. Appl. Sci., 2022, vol. 12, iss. 16, art. 8284. DOI: https://doi.org/10.3390/app12168284

[7] Naveena B., Armshaw P., Pembroke J. Ultrasonic intensification as a tool for enhanced microbial biofuel yields. Biotechnol. Biofuels, 2015, vol. 8, art. 140. DOI: https://doi.org/10.1186/s13068-015-0321-0

[8] Yang L., Li X., Li W., et al. Intensification of interfacial adsorption of dodecylamine onto quartz by ultrasonic method. Sep. Purif. Technol., 2019, vol. 227, art. 115701. DOI: https://doi.org/10.1016/j.seppur.2019.115701

[9] Мещеряков С., Гонопольский А., Муллакаев М. и др. Реагентно-ультразвуковая интенсификация процесса седиментации поверхностных стоков на нефтеперекачивающих станциях. Экология и промышленность России, 2018, т. 22, № 2, с. 8--12. DOI: https://doi.org/10.18412/1816-0395-2018-2-8-12

[10] Thombre N.V., Gadhekar A.P., Patwardhan A.V., et al. Ultrasound induced cleaning of polymeric nanofiltration membranes. Ultrason. Sonochem., 2019, vol. 62, art. 104891. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ultsonch.2019.104891

[11] Melnyk V., Kosova V., Ostapenko Z., et al. Investigation of the influence of ultrasound on raw materials. Vibrations in Engineering and Technology, 2022, no. 1, pp. 38--43.

[12] Huang D., Men K., Li D., et al. Application of ultrasound technology in the drying of food products. Ultrason. Sonochem., 2020, vol. 63, art. 10950. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ultsonch.2019.104950

[13] Ishtiaq F., Farooq R., Farooq U., et al. Application of ultrasound in pharmaceutics. World Appl. Sci. J., 2009, vol. 6, no. 7, pp. 886--893.

[14] Nascimento E., Mulet A., Ascheri J.L., et al. Effects of high-intensity ultrasound on drying kinetics and antioxidant properties of passion fruit peel. J. Food Eng., 2016, vol. 170, pp. 108--118. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jfoodeng.2015.09.015

[15] Mobarakeh H.D., Miner M., Wang L., et al. Application of ultrasound in regeneration of silica gel for industrial gas drying processes. Dry. Technol., 2021, vol. 40, iss. 11, pp. 2251--2259. DOI: https://doi.org/10.1080/07373937.2021.1929296

[16] Garcia-Perez J.V., Carcel J.A., Riera E., et al. Intensification of low-temperature drying by using ultrasound. Dry. Technol., 2012, vol. 30, iss. 11-12, pp. 1199--1208. DOI: https://doi.org/10.1080/07373937.2012.675533

[17] Хмелев В.Н., Кузовников Ю.М., Хмелев М.В. Ультразвуковые аппараты для научных исследований. Южно-Сибирский научный вестник, 2017, № 1, с. 5--13. EDN: YJCIZL

[18] Liang X., He G., Wang J., et al. Experimental study on absorption characteristics of a falling film absorber with micro-scale NH₃/LiNO₃ liquid film. Appl. Therm. Eng., 2021, vol. 200, art. 117719. DOI: https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2021.117719

[19] Maio L., Moll J., Memmolo V., et al. Ultrasonic inspection for ice accretion assessment: effects on direct wave propagation in composite media. Mech. Syst. and Signal Process, 2022, vol. 173, art. 109025. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ymssp.2022.109025

[20] Khmelev V.N., Golykh R.N., Tsyganok S.N., et al. Ultrasonic exposure of the liquid film for highly efficient gas absorption. WSEAS Trans. Fluid Mech., 2021, vol. 16, pp. 168--179. DOI: https://doi.org/10.37394/232013.2021.16.16