超声空化场分布的动力学机理研究

超声技术在机械制造中获得了广泛的应用,其应用与声场分布有着密切的关系,精细准确地描述声场分布则是超声技术更广泛地投入实际应用中的关键。该文基于声波叠加原理和牛顿第二定律,分析了染色法生成声像图的物理原因。结果表明,在声场力的作用下,声场中的亚甲基蓝悬浮粒子总是背离声压波节(力的波腹)而向其波腹(力的波节)聚集。在声压波腹附近,超声空化效应导致原本光洁的铜版纸面变得粗糙,使得汇聚到声压波腹附近的悬浮粒子易于附着在纸面;而在声压波节附近,悬浮粒子几乎不会附着在纸面。因而铜版纸被染色的程度呈现出的"声像"形象地反映了声场强弱的分布。     

高频超声空化场喷射枪

根据高频超声及其空化场的力、热效应,以及空化场聚束管和液-固界面的增强作用原理,提出、设计和制作了一种小型的高频超声空化场喷射枪。试验表明,它用于水下破解冰冻物品、高分子板材焊接和瓶装液体除气方面是可行的。     

染色法测量超声空化场研究

简易、形象地评定声空化强度与分布是功率超声技术应用中的重要技术.本文利用染色法测量侧置换能器清洗水槽中声空化场,通过改变功率,对多种染色载板的染色效果加以比较,给出3种适合不同功率情形使用的染色载板,并提出染色法最佳观测时间和最佳观测方法.同时,研究了变频条件下清洗水槽中的空化分布.结果表明,连续变频下获得均匀的空化场.染色法能形象描述超声清洗设备和声化学反应器中的声空化分布,并且具有简单、直观、经济、可信度高的优点,是一种实际可行的声空化定性评价方法.     

高频超声空化场喷射枪

根据高频超声及其空化场的力、热效应,以及空化场聚束管和液-固界面的增强作用原理,提出、设计和制作了一种小型的高频超声空化场喷射枪.试验表明,它用于水下破解冰冻物品、高分子板材焊接和瓶装液体除气方面是可行的.     

高频超声空化场喷射枪

根据高频超声及其空化场的力、热效应,以及空化场聚束管和液-固界面的增强作用原理,提出、设计和制作了一种小型的高频超声空化场喷射枪.试验表明,它用于水下破解冰冻物品、高分子板材焊接和瓶装液体除气方面是可行的.     

超声空化场中的球旋转

根据P.Langevin对声辐射力的推算和C.Eckart的声流理论,实现了超声喷泉中一个球体的旋转和两个球体按相反方向的旋转,同时观察到这些球体的旋转随超声功率的增大而加速.这种由频率1.7 MHz和电功率45W的超声所产生的超声喷泉,可以看作是一种向上喷射的超声空化场,它拥有一种单方向的辐射力和对称的回旋声流,正是这种空化场所具有的这类典型的声学非线性特性才为球体的旋转提供了稳定的旋转力矩.     

超声空化场中的球旋转

根据P.Langevin对声辐射力的推算和C.Eckart的声流理论,实现了超声喷泉中一个球体的旋转和两个球体按相反方向的旋转,同时观察到这些球体的旋转随超声功率的增大而加速.这种由频率1.7 MHz和电功率45W的超声所产生的超声喷泉,可以看作是一种向上喷射的超声空化场,它拥有一种单方向的辐射力和对称的回旋声流,正是这种空化场所具有的这类典型的声学非线性特性才为球体的旋转提供了稳定的旋转力矩.     

基于有限元及有限差分法的超声空化场模拟

基于Commander和Prosperetti的理论,考虑大功率超声场中空化泡作用的阻尼效应,计算了常见矩形槽体内的超声空化场. 为了使计算更接近实际情况,模型的声源边界条件利用通用有限元软件得出. 计算结果与铝箔腐蚀实验结果进行了比较,两结果是一致的. 这对于掌握不同超声场的声场特性和设计高效的超声液体处理设备均具有重要的指导意义.     

基于MATLAB的超声空化场表征与三维可视化

超声空化场强度逐点扫描的测量方法耗时耗力,不利于其应用,铝箔腐蚀法廉价易得,操作简单,对空化场影响小,但定量性差．以铝箔腐蚀法测定超声清洗槽中的空化强度,铝箔样品干燥后经扫描仪采集黑白图像,导入MATLAB软件图像处理系统,编写程序提取腐蚀点位置,统计腐蚀区域占整体区域的面积比,以腐蚀面积比大小衡量超声空化强弱程度实现测量结果的量化．构造三维腐蚀面积比数据集,以不同颜色代表不同腐蚀强度将数据绘制于三维坐标系内,可实现超声空化场可视化,任意平面内空化场强度分布图可通过切片技术获得．将超声空化场表征结果进行切片分析,得到单换能器空化场分布规律的同时验证表征方法的可靠性,为超声强化过程机理研究奠定分析基础．     

基于频谱分析方法的超声空化场三维重建及其分布

超声空化是声化学反应的主动力,采用水听器对超声清洗槽内的超声空化场进行定量测量,通过频谱分析对声场能量进行分离,并利用非线性能量来表征空化能量,再通过MATLAB软件对测量结果进行三维重建,该方法同时具备了定量性和直观性两种优势.同时,通过图形用户界面(GUI)对程序进行封装,增强了该方法的可操作性.基于此方法,进一步研究了液体中超声空化场的三维分布情况,并对其分布规律进行了探讨,从而为声化学反应提供了理论指导.     

超声珩磨作用下磨削液空化泡的共振频率

为揭示超声珩磨加工过程中磨削液空化泡的共振特性,首先利用VHX-600ESO显微镜对油石表面的磨削液进行了微观测量试验,得到了共振状态下的空化泡.基于空化泡的动力学理论,推导出了超声珩磨作用下磨削液中空化泡的共振频率方程.数值模拟了水和煤油中空化泡初始半径、磨削液静压力、气泡内含气压、磨削液温度对空化泡共振频率的影响.通过讨论磨削液中空化泡的振动位移,验证了超声频率与空化泡共振频率的匹配关系.结果表明,水中的空化泡要比煤油中更容易发生共振,这是导致粗珩选择水溶液而精珩选择煤油的一个重要原因.      

超声空化场热释放现象的实验研究

在1.65MHz、3W/cm2的超声空化场中,沿垂直声波辐射方向插入高分子材料ABS等试验板,板面上即刻出现熔化现象:超声空化场的一种热释放。若使这种空化场形成超声喷泉,其热释放的效果更加明显。采用圆柱形套管和圆锥形套管对这种超声喷泉进行聚束喷射,还可加剧这种热释放。作者认为,大量空化泡塌陷、爆裂时的高温声冲流和高压冲击波是使这种低导热系数试验板热变熔化的主要机制。超声喷泉中隐含的空化集中作用,以及聚束状态下附加的空化集中作用和声能密度的增加,则进一步增强了这种热释放。     

超声频率和液位对空化场的影响

空化效应是超声在化学反应过程中发挥作用的主要原因,采用谱分析法衡量空化场强弱,引入标准差评价空化场的均匀程度,在标称频率20,k Hz和40,k Hz的清洗槽内,研究了超声频率和槽内液位对空化场的影响效果.结果表明:超声波换能器使用中存在频率漂移现象,利用水听器、示波器结合MATLAB软件测量计算实际工作频率分别为23.93,k Hz和42.72,k Hz;低频时空化场的平均强度高,但高频时空化场的均匀性更好;清洗槽内存在谐振液位(30,mm、45,mm、60,mm、75,mm),在这些液位处空化强度和均匀性均较好.     

空化器直径对超空泡航行器空泡性能的影响

为探索空化器直径对超空泡航行器受力性能和空泡性能的影响,针对具体超空泡航行器模型,建立计算流体力学(CFD)模拟数学模型,并进行了模拟分析.分析结果表明:航行器阻力系数随着空化数的增加,先缓慢线性增加到临界空化数,随后快速非线性增加;空化器直径越大,全空化状态下航行器的阻力系数、临界空化数和航行器在大空化数下的阻力系数越大,并且航行器产生空泡的能力越强.     

空泡溃灭冲击波对流场携带颗粒的作用

讨论了无限大小域中考察液体压缩性影响下空泡溃灭冲击波对固体颗粒的作用，求得了固体颗粒所获得的最大速度，当满足一定条件时，固体颗粒运动速度值之高足以打坏现有水工建筑物所用的混凝土，引起固壁的大面积剥落，形成空蚀，冲击和磨蚀的恶性循环。     

双空泡溃灭及空化噪声的建模

空泡溃灭时会产生很大的瞬时压强,造成流体机械装置的空蚀破坏并产生噪声和剧烈振动。为研究双空泡溃灭及溃灭时声辐射的规律,忽略流体的压缩性,建立了双空泡的运动方程。在L igh th ill方程基础上建立了双空泡溃灭时流体中的声辐射模型,并进行了数值计算。计算结果表明:随着空泡间距的减小,空泡溃灭的最小半径减小,溃灭时间延长,空泡辐射声压增大,说明空泡间的相互作用使空泡的溃灭过程变缓并使空泡辐射的噪声增强。     

带锥形空化器超空泡航行体的空泡与力学特性

为了研究带锥形空化器的超空泡航行体的空泡形态与流体动力之间的关系,以及锥形空化器与尾裙结构对航行体性能的影响,通过数值计算方式,对航行体模型在常用空泡流型下进行了仿真,研究了带锥形空化器航行体的空泡形态与攻角之间的关系以及相对应的流体动力的特性,论证了超空泡航行体空泡形态变化过程的普遍性,分析了大攻角时空化器的空泡与航行体空泡之间的差异,从流体动力方面对超空泡航行体的锥形空化器和尾裙之间的配合性进行了研究.结果表明,超空泡航行体流体动力与沾湿状态随攻角变化有特定的变化规律,锥形空化器与尾裙配合的结构在自导超空泡航行体上能够提高航行体的机动性能.     

超声场中悬浮粒子对空化微流的影响

对悬浮粒子和空化泡间的相互作用进行了理论分析,得到了气泡内外n=0模式(脉动)和n=1模式(平动)相关的微流分布.利用Matlab软件对微流分布绘图,数值分析结果表明:由于悬浮粒子的影响,空化泡内部和外部的声流速度显著增大,尤其是气泡周围声流速度的切线分量,气泡内部的声流速度明显强于气泡外部的声流速度.当θ从0到π时,气泡n=0模式微流切向速度在θ2=π/2处达到最大值,其方向垂直于声波的传播方向,而n=1模式微流切向速度大小在θ2=π/2时趋于0.气泡周围声流速度的大小和方向与处在介质中的相对位置密切相关.根据气泡声流速度矢量分布图,发现n=0的模式对声流速度起主要作用,而n=1的模式将声流速度限定在气泡表面附近的区域.     

多场耦合作用下氯离子分布场的数值模型

为了研究温度场、湿度场和CO2分布场对氯离子分布场的影响,基于Fick扩散定律和质量守恒定律,主要考虑氯离子扩散系数、湿度以及氯离子结合和释放4个敏感参数,推导了混凝土中氯离子三维分布场控制方程,给出了初始条件和边界条件.利用ANSYS内部集成的参数化程序设计语言APDL建立了数值分析框架.结合试验参数,进行了湿度场作用下混凝土中氯离子分布场的数值计算,并进行了模型参数敏感性分析.结果表明:该模型可以实现不同边界条件下二维和三维多场耦合的数值计算.湿度扩散系数、氯离子扩散系数、边界氯离子浓度以及氯离子结合等温线的取值对氯离子浓度分布影响显著.数值计算结果与实验结果吻合良好,数值模型具有足够的可靠性.