阻抗边界对刚性圆柱形粒子声辐射力的影响

应用时域有限差分法建立了二维情况下水中刚性圆柱形粒子在调制高斯脉冲作用下声辐射力计算的仿真模型,研究了阻抗边界对水中刚性圆柱形粒子声辐射力的影响。仿真结果表明,低频时刚性圆柱形粒子在阻抗边界附近的声辐射力变化幅度较大,而高频时刚性圆柱形粒子的声辐射力受边界的影响较小。由于阻抗边界的影响,刚性圆柱形粒子所受的横向声辐射力随反射系数的增大而增加,轴向声辐射力随反射系数的增大而减小,声辐射力值范围处于软边界和硬边界声辐射力值之间。在刚性圆柱形粒子距离阻抗边界较近时,声辐射力受阻抗边界的影响变化幅度较大,但随着距离的增大声辐射力变化幅度减小,且最终趋于稳定。虽然不同反射系数对应的声辐射力大小不同,但受阻抗边界影响的变化趋势基本相同。     

水中刚性柱在高斯声场中的声辐射力特性

以声波理论为基础,在圆柱的中心点将高斯声波用柱函数展开,计算入射高斯声波的展开系数,求解在高斯声场中柱形粒子所受声辐射力的表达式.通过数值仿真研究了频率、波束宽度、柱形粒子偏离高斯波束中心的距离等参数对声辐射力的影响.仿真结果表明:在ka1的情况下,当柱形粒子沿x轴的正方向偏离波束中心时,所受的声辐射力为负值,当柱形粒子沿x轴的负方向偏离波束中心时,所受的声辐射力为正值;ka1时,粒子所受的声辐射力随着粒子位置偏离波束中心距离的增大逐渐减小,且辐射力的方向均沿x轴的正方向;随着波束宽度的增大,声辐射力的值增大,当波束宽度相对波长较大(W0=10λ)时,高斯波束声辐射力的大小接近于平面波声场的声辐射力.     

水中离轴球形粒子对高斯波束的声散射

将入射高斯波束用球函数展开,采用有限项级数展开的方法计算了高斯波束的波束因子,并根据声波散射理论,推导出球形粒子在偏离高斯声波轴线时散射波形函数的解析表达式,研究了高斯波束的波束宽度、离轴的距离等参数对声散射特性的影响.通过数值仿真,给出了刚性球形粒子在高斯波束作用下的散射声场的空间分布.仿真结果表明:随着波束宽度的增加,散射波形函数的幅度逐渐增大,当波束宽度为20倍的波长时,其散射波形函数曲线和平面波的完全吻合;随着粒子离轴距离和角度的增大,散射波形函数的幅度逐渐减小.该研究为利用聚焦波束实现粒子操控提供了理论依据.     

阻抗界面附近水下刚性柱形粒子的声辐射力

利用声辐射力来操控微小粒子的技术称为声操控.声操控在材料科学、超声给药、生物物理等领域具有广泛的应用前景,是声学领域的研究热点之一.声操控的核心是对声辐射力的控制,因而对声辐射力产生机理的研究对声操控技术的发展具有重要意义.以声波理论为基础,建立了水中阻抗界面附近刚性柱形粒子声辐射力的理论计算模型,结合柱函数加性定理,推导了平面波垂直入射时,阻抗界面附近水中刚性柱形粒子声辐射力解析表达式,并对粒子位于不同位置时,阻抗边界对刚性柱形粒子声辐射力的影响进行了仿真.数值仿真结果表明,在ka值较小时,声辐射力函数受界面的影响较大,并出现负的声辐射力.在ka值较大时,声辐射力受边界的影响相对较小,随着界面反射系数的增大,声辐射力的值逐渐减小.柱形粒子距阻抗边界的距离对声辐射力有影响,随着距离的增加,辐射力出现振荡变化.改变粒子的半径,声辐射力函数出现峰值的位置也会发生改变.这项研究为界面附近粒子的声操控提供了理论基础并有助于声操控技术的改善和发展.     

充液柱形腔中球形粒子在高斯声场中的声辐射力

利用声学散射理论和Bessel函数在不同坐标系之间的变换关系式,推导了高斯波作用于充液柱形腔中球形粒子声辐射力的解析表达式;应用数值积分,计算了球形粒子在柱形腔中的声波散射系数,并对不同束腰半径的高斯波作用下球形粒子的声辐射力进行了仿真,得出了声辐射力随波数的变化曲线;最后通过改变球形粒子的半径,分析了柱形腔对不同尺寸粒子声辐射力的影响,并将其与无边界流体中球形粒子的声辐射力进行了对比.结果表明,当球形粒子位于充满流体的柱形腔中时,受柱形腔内壁声反射波的影响,刚性球的声辐射力出现明显的变化,在某些频率处,声辐射力的方向可以发生改变,在一些频率点出现了明显的共振峰值.研究结果对充液柱形腔中球形粒子的声操控具有一定的意义.     

球体参数及柱腔对腔内胶囊球声辐射力的影响

利用声散射理论,推导了平面波作用下,无限长充液刚性柱形腔中球形胶囊声辐射力的解析表达式,分析了胶囊球的材料及柱腔的相对尺寸对胶囊粒子声辐射力的影响。仿真结果表明:由于柱形腔的影响,声辐射力的大小和方向都发生明显变化,随着相对半径的增大,声辐射力的正负起伏较显著。涂层材料对声辐射力的大小和共振模态都有影响,由于涂层材料的不同,声辐射力的曲线会出现不同的共振峰。而胶囊球的内核材料对声辐射力大小的影响较小,却对声辐射力的共振特性影响较大。随着涂层厚度变薄,声辐射力的峰值向右偏移,并出现明显的共振模态。     

基于周期性栅结构硬薄板的球体粒子声捕获

基于周期性栅结构修饰的声学硬薄板,研究了位于结构板上方的黄铜球体粒子所受到的声辐射力、粒子位置和粒子尺寸对声辐射力的影响.仿真结果表明,当外部声波入射到该非开口硬薄板体系,铜粒子与结构板的距离小于0.5d时,铜粒子将受到声拉力而被捕获,声辐射力密度随粒子尺寸的减小而增大.这种违反直觉的声拉力源于周期性结构硬薄板中无泄漏兰姆波模式所引起的集体激励.     

平面波斜入射时水中液体柱形粒子的声辐射力

利用声散射理论,推导了平面波斜入射时水中液体柱形粒子的声辐射力,研究了入射角变化对柱形粒子声辐射力的影响,并对水中不同液体柱形粒子的声辐射力进行了仿真。结果表明:在声波以小角度入射情况下,当ka值较小时,声辐射力几乎不随入射角变化;当ka2时,声辐射力随入射角的增加而减小。在入射角趋于纵波临界角情况下,不同材料粒子的声辐射力随ka的变化规律基本相同。     

拉格朗日无网格粒子法的声学计算及边界实现

针对现有拉格朗日方法处理声学问题时声学边界出现的匮乏现状,提出了耦合无网格-时域有限差分边界处理技术.边界粒子采用修正光滑粒子动力学方法(CSPM)求解,虚拟粒子采用时域有限差分方法(FDTD)求解;随后分别建立了声学软边界、硬边界和吸声边界的CSPM/FDTD实现方法,其中声传播控制方程采用拉格朗日形式的小振幅波动方程.通过管路声传播模型来对三种不同边界条件进行了验证,而后基于CSPM方法,着重对软边界弹性体在平面波中的时域声散射问题进行了模拟.计算结果表明:该方法能较好模拟出散射声场及其随时间的变化,同时不同初始粒子间距的计算结果也表明了其具有收敛性,验证了修正光滑粒子动力学方法和耦合声学边界处理技术的可行性.     

幂律流体在内管旋转下放环空中的流动与传热规律

对柱坐标系下泡沫流体运动方程和能量方程进行简化,结合幂律流体本构方程并将其离散,运用有限差分方法对方程进行求解,得到幂律流体在内管旋转下放环空中的水力参数分布.结果表明:随内管转速的增大,环空中幂律流体的轴向流速、角速度、合速度增大,温度升高,表观黏度降低;随内管下放速度增加,环空中幂律流体的轴向流速、角速度和合速度减小,表观黏度增大,内管壁附近温度升高而外管壁附近温度降低.