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.     

超声空化清洗技术及其应用

在阐述空化、空化射流;超声空化及超声空化清洗技术的基础上,对声空化发生的过程及影响产生超声空化空穴的因素进行了研究与探讨,并论述了超声清洗技术的优越性,此外,还对该技术的发展前景及研究发展方向进行了展望.     

声化学反应器中声场非线性研究

推导了利用声压基频和二次谐频分量计算溶液中声场非线性参量的公式,并利用该公式计算了不同功率下侧壁黏结换能器水槽式声化学反应器中亚甲基蓝水溶液的声场非线性参量.结果表明,反应器中亚甲基蓝水溶液的声场非线性明显,低功率下非线性参量测量结果接近标准值,随激励功率增加导致声空化效应增强,非线性参量也随之而增大.     

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。     

水听器法测量功率超声振动珩磨空化声场分布

为了直接、简便地研究功率超声振动珩磨作用下的空化效应,对其声场建立数学模型,采用水听器对功率超声振动空化声场参数进行了定点测量,对数学模型所得到的仿真结果进行验证。为了研究流体介质中超声空化声场的分布情况,采用水听器法对不同功率与不同种类液体介质中的辐射超声场进行了多点声压测量。通过对比试验数据分析发现,声波沿换能器截面方向成对称分布,沿换能器轴向方向随距离的增加而衰减;不同种类的液体介质也会影响声压的分布以及空化效应的强弱。该方法可以直观的评价超声振动珩磨作用下的空化声场的强度和分布情况,对后续研究超声珩磨的空化泡动力学行为以及对超声振动珩磨装置的优化设计具有一定的实际应用价值。     

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.     

超声空化场的致热机制及其聚束喷射时的致热速率

分析表明,超声空化泡崩溃时的高温声冲流和高压冲击波是使塑料致热熔融的机制.采用圆锥形和圆柱形玻璃管对单束超声空化场聚束喷射时,致热速率明显加大,这是因为空化泡在声辐射压力作用下聚集于喷射空化场前峰区的密度得以提高,因而增强了空化集中的致热效果.     

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．     

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.     

声致荧光的光像特征

通过实时观察和拍摄表明,鲁米诺-碱性水溶液的声致荧光具有某些宏观特征.即声致荧光的空间分布随容器形状而变,在对称性容器中是准对称分布的;在不对称容器中除不对称分布外,还表现出明显的束流形态;声反射界面对这种光像及其亮度分布有显著影响.这种影响有:反射凸面使光像呈散射状;反射凹面使光像呈会聚状;在这两种反射面附近的声致荧光均得以增强.这说明,产生声致荧光的超声空化场既保留了超声声场的反射、散射和会聚等传播共性,也有其固有的空间特征.其中,声致荧光的束流形态可能源于超声辐射力对空化泡群的驱动作用,而它的界面增强效应或许是声反射界面作为新一处的空化核滋生源而引发了更多的空化事件的缘故.     

静态声空化泡内外的质量交换

研究表明声空化泡内外存在着不可忽略的质量交换,但目前的研究主要针对激烈脉动型的声空化泡.本文利用驻波声场的Bjerkes力稳定悬浮非激烈脉动型声空化泡（静态声空化泡）来研究泡壁处气液间的质量交换特性.结合实验结果,我们分析了驱动声压、气体种类、液体的黏度、表面张力,饱和蒸汽压等因素对静态声空化泡内外质量交换特性的影响.同时,我们设计的实验系统也为气液传质特性测量提供了一种方法.     

变幅杆式超声波声场分布测量

以某钢厂180 t钢包为原型,在钢包水模内进行超声场空化强度及声场分布分析;采用金属薄膜腐蚀法,测量研究超声空化强度及其分布,从空化角度对形成的声场分布进行探讨。实验结果表明:超声波空化场在工具杆周围以径向辐射为主,在工具杆底端的空化场呈圆锥状分布;在超声搅拌的过程中,空化泡群产生在超声波的波腹位置,产生后沿任意方向作直线运动,在运动的过程中伴随着空化泡的聚集、长大、崩溃等过程,正是因为这些剧烈的变化以及崩溃过程产生的微射流改善搅拌效果。     

基于声发射的自振脉冲空化射流实验研究

为增加低渗透性能煤层气的采前预抽取量,提高深部煤层的开采效率,本文采用信号分析法从射流振荡状态研究自振脉冲空化射流特性。基于水声传感技术获取淹没环境中声发射信号,利用频谱分析法研究围压下自振脉冲空化射流冲击砂砖块产生的空化噪声,分析不同压力下随时间变化时主要破坏频率,通过声功率谱（PSD）及空化噪声能量变化探讨冲蚀效果。结果表明,钻孔率随钻孔时间增加而降低且孔深存在临界深度。水中射流脉动的频率范围为11.44 KHz-17.14 KHz,砂砖主要破碎频谱范围为38.74 KHz- 46.05 KHz。随冲蚀时间增大,声发射信号能量强度先增加后降低。此外,射流频谱分析和PSD方法对射流性质的研究提供新的思路及方法。     

液体超声驻波声场实验研究

研究了以蒸馏水为介质的驻波声场对微小颗粒群的作用,观察了颗粒群的运动规律,并应用声流和声辐射压力理论对其进行分析.运用谱分析方法,探讨了驻波声场中的空化现象.结果表明,大部分颗粒在声压波腹处聚集,而在声压波节处明显出现了高次谐波,说明空化效应发生在声压波节处.     

液体空化对沸腾传热影响的实验及机理研究

从液体空化和沸腾机理的角度出发，阐述了两者的关系，揭示了液体空化强化沸腾传热的机理，并成功地解释了声空化对水平圆管沸腾传热的影响，结果表明，空化和沸腾是从两个不同的角度对液体强度施加破坏的，标准状态下的空泡半径维持在微米量级以下，沸腾传热是否受到声空化的强化，取决于声空化是否给传热表面提供了核化汽泡胚胎。     

喷水推进泵空化特征联合分类识别

在无空化区、空化Ⅰ区和空化Ⅱ区3种工况条件下，利用安装在实船喷水推进泵检查孔内的水听器和布置在泵壳上的加速度传感器获取喷水推进泵的声压和振动信号.通过二阶导数分析发现，空化前后声压和振动信号的二阶导数均具有显著的差别，空化后声压信号在8~25 kHz、振动信号在3~12 kHz频段上出现了明显的峰值.以该特征频段上二阶导数的峰值序列为基础，构造特征集并进行特征联合分类识别.结果表明：利用特征联合分类识别可以区分无空化区、空化Ⅰ区和空化Ⅱ区的信号，多传感器特征联合分类识别的效果优于单传感器特征联合分类，尤其是基于二阶导数的多传感器特征联合分类识别的效果较为理想.     

镁合金熔体中超声空化泡行为的数值模拟

以超声空化理论为基础,应用Matlab软件对Rayleigh-Plesset方程进行了数值模拟计算,主要研究了不同超声条件(超声频率、声压幅值和空化泡初始平衡半径)对镁合金熔体中空化泡行为的影响,并且探讨了声压幅值和熔体主体温度对空化泡崩溃时的泡内温度和压力的影响.结果表明,较低的超声频率和熔体主体温度、较高的声压幅值以及小于或等于共振尺寸的空化泡初始平衡半径有利于超声空化效应.     

声场中气泡界面稳定性研究

声致空化广泛应用于表面清洁、生物成像和材料合成等领域,气泡的界面稳定性对空化作用效果有重要影响.考虑液体黏性和表面张力的影响,采用扰动法获得气泡径向运动控制方程的解析解,建立单/双频激振声场中气泡界面稳定性预测模型并求解,获得气泡振荡的临界半径.当气泡初始平衡半径小于临界半径时,气泡界面保持稳定;大于临界半径时,气泡界面失稳.在单频激振声场中,低频激振下气泡界面失稳的低阶临界半径在其共振半径附近,高阶临界半径不受频率影响,与同阶的高频激振下临界半径相当,给出了不同激振幅值下高低频的临界频率值.在双频激振声场中,分3种情况（即双低频激振、高频+低频激振和双高频激振）讨论声场中关键参数（即激振频率、振幅分配比和总的声压幅值）对气泡界面失稳临界半径的影响.     

轴对称体空泡流的噪声特性与空泡界面瞬态特征

在空泡流发展的各个阶段 ,空泡呈现各种不同的流动特性和界面特征 ,且空泡流噪声与其界面的流动特征具有强烈的相关性 .本试验通过对半球头和 45°锥头轴对称体空泡流噪声测量和观察 ,运用总声级分析了空泡流发展各阶段的噪声特性 ,并与高速摄影记录的相应空泡界面特征进行比较后发现 ,空泡界面瞬态特征的演化将导致空泡流噪声总声级随空泡数演化趋势的变化 ,并参考二维空泡流归纳了轴对称体空泡流的瞬态特征