大铸锭铝熔体中超声振动系统空化区域分析及实验研究

根据比值校正法利用激光测距仪对超声系统辐射杆振动进行测试,其结果进行幅值谱校正后得到辐射杆位移幅值分布,分别对超声变幅杆浸入铝溶液及水中不同深度进行空蚀分布实验,运用有限元法对水及铝熔体中空化区域进行模拟。研究结果表明:振动系统在谐振点以下电流更加稳定,声流效应不易产生突变;超声振动系统辐射杆以纵向振动为主,声压幅值在铝熔体中辐射杆端面法线上单调递减;侧面横向振动的最大振动幅值约为端面纵振幅1/2,位置约为端面以上15~55 mm处;空化区域仿真结果与实验结果基本吻合。     

金属熔体中高强超声空化气泡运动的数值研究

导出了可压缩液体中空化气泡泡壁运动方程,用该方程对高强超声场作用下铝熔体中空化气泡的运动规律进行了数值求解。结果表明,导出了泡壁运动方程保留了Ｕ／Ｃ的高次项,精度高于传统的不可压缩液体泡壁运动方程;高强超声场作用下铝熔体中空化气泡溃灭时可产生极高压冲击波;超声声压幅的大小对空化的强度和密度影响很大。     

超声空化泡溃灭冲击波作用固壁面的实验研究

对抛光后的6061铝进行超声振动空蚀实验,发现当超声振动头与材料表面的距离低于1 mm左右材料表面会有明显的空蚀效果。通过实验研究空蚀时间和超声振幅对材料表面粗糙度以及硬度的影响,发现:材料表面粗糙度和硬度先随着空蚀时间的增加而增大;在一定时间后出现平缓过渡期,这是由于材料表面波峰被空化泡溃灭冲击波作用后坍塌所致;继续增加空蚀时间,材料表面粗糙度和硬度会缓慢增大;材料表面粗糙度和硬度随着超声振幅的增大先增大后减小,在超声振幅为10.8μm左右达到最大空蚀效果。     

超声空化对大规格高强铝合金热顶铸造凝固组织的影响及作用机理

在直径为650 mm的高强铝合金热顶半连续铸造中施加多源超声波振动系统,考察多源超声场的施加对铸锭宏微观组织的影响,并分析热顶铸造过程中超声空化作用对熔体凝固的作用机理。研究结果表明:铸锭截面组织整体均匀细化,晶粒形状由发达的枝晶变为等轴枝晶,晶粒平均粒度减小了107μm,在超声辐射杆附近区域,细化效果最明显;在热顶铸造过程中,铝液中的超声空化范围主要在辐射杆附近有限区域内,故空化效应主要作用于液态金属中的异质颗粒,空化泡崩溃产生的冲击波增大了异质颗粒与液态金属的接触角,降低了形核所需自由能,促使异质形核发生,增大了形核率,细化了凝固组织。     

现代医学手段诱发空蚀的形成及其影响

空泡在随液体流动过程中，当周围压力增加时，空泡体积将急剧缩小或溃灭。由于空泡溃灭过程发生于瞬间，因而在局部将产生极高的瞬时压强，当空泡溃灭发生在固体表面附近时，不断溃灭的空泡所产生的极高压强的反复作用，将破坏固体表面。对生物医学工程中的空泡和空蚀现象的形成、发展和溃灭过程及其危害，空蚀破坏机理及其影响因素，空泡演化过程的数值模拟研究等进行了综合论述，提出了研究空损伤现象需要解决的几个重要问题，为进一步深入研究和应用空化空蚀现象打下基础。     

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。     

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。     

超声波熔体处理过程中的声流现象

应用CFD软件Fluent对坩埚中进行超声处理的铝合金熔体流场进行模拟计算. 计算结果表明,在由于黏滞衰减产生声压梯度而形成的超声辐射力的作用下,工具杆端面下液相区域内的熔体形成大规模的Eckart声流现象,熔体的最大轴向速度幅值出现在工具杆端面中心轴线下液相区域的中心点附近,其值并不随着驱动力值的增大呈线性增大. 铸造实验结果表明,声流作用使铸锭在工具杆端面至铸锭壁面之间形成一条作用区域分界线,分界线两端凝固组织呈现完全不同的样貌,工具杆端面下一侧组织在空化和声流的双重作用下得到细化,呈等轴晶状,而上端组织则呈枝状晶形态.     

水翼多模态的空化结构演化与空腔溃灭压力的耦合特性

采用可压缩的数值方法计算了不同空化数下绕流水翼的空化流场, 分析了非定常空化流动中空化结构的脱落模式、溃灭过程, 以及压力波的释放、传播及其与残腔的耦合特征. 结果表明: 可压缩数值模型能够捕捉局部腔体溃灭时压力波的释放、传播和回弹现象; 不同空化数下存在不同的腔体脱落、溃灭模式; 在特定的空化数下, 可能会在一个大的空化结构脱落循环周期内包含多个动力学演化过程, 空化结构的溃灭也会诱导多个压力脉动峰值, 并对剩余残腔总体产生抑制作用; 由凝聚激波诱导的残余腔体溃灭具有持续时间长、压力脉动幅值小的特点; 而大尺度云空化脱落腔体溃灭时释放的压力波持续时间短、脉动幅值大, 这些都可能造成机械结构振动和空蚀破坏.     

基于短时傅立叶变换的空蚀噪声分析

空化过程中,固体近壁面溃灭的空泡会对固体壁面形成短时的高速高压冲击,并辐射出强烈的噪声。针对这一特点,该文采用短时Fourier分析方法(STFT)对空蚀噪声信号进行时频域的分析,表征出了黄铜在振动空蚀各阶段的频谱特征。随着空蚀阶段的发展,信号主要在4 kHz以上的频段发生变化。在空蚀初生期,频率在时间轴上不均匀分布;在上升期和稳定期,频率在时间轴上的分布逐渐均匀,并且声压升高;在衰减期,4 kHz以上的频率急剧减少,声压也显著降低。分析结果为研究不同空蚀阶段下的空蚀噪声特征提供了一种分析方法。     

空化噪声特性实验研究

利用不同类型的轴对称头体和ＮＡＣＡ１６０１２翼型做了一系列空化噪声实验,得到轴对称头体在不同空化数及不同速度下的空化噪声谱及翼型在不同的攻角下的空化噪声谱．这一系列的噪声谱表明,各种轴对称头体的空化噪声总声级随空化数的减小而升高,但噪声谱形具有明显的相似形;翼型在片空化、泡空化和云雾空化状态下所辐射的噪声谱存在明显的差别．噪声总声级的变化较为复杂,由泡空化状态转换到片空化状态,空化数虽然减小,但总声级会突然降低．针对翼型在泡空化状态下所辐射噪声谱的特征,利用单空泡溃灭理论进行了尝试性的解释和说明．     

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。     

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.     

超声施振深度和冷却方式对纯铝凝固组织的影响

在750℃对铝熔体施加功率为170 W的超声振动至其液相线温度,研究超声施振时工具杆的工作深度和熔体的不同冷却方式对铸锭凝固组织的影响,分析超声细化组织的机理.试验结果表明,经超声处理过的铝熔体凝固组织均得到不同程度的细化,超声的空化效应和声流效应对晶粒细化起主要作用.施振深度增加时,超声振动系统的机械品质因数降低,振动强度减小,输出振幅减小,超声细化效果减弱.超声细化晶粒存在一个最短必要时间,当冷却强度增大时,熔体凝固时间缩短,超声波的相对作用时间缩短,晶粒尺寸增大.     

激光表面纹理加工Ti6Al4V空蚀的形貌特征

为提高钛合金的抗空蚀性能,采用激光对Ti6Al4V合金进行表面纹理加工.采用维氏显微硬度计对试样的横截面硬度进行表征,采用磁致伸缩超声振动仪对试样的抗空蚀特性进行测试,采用扫描电子显微镜对试样空蚀形貌进行观测.结果表明,经激光表面纹理加工后,试样的表层硬度均得到明显提高.直线纹理试样空蚀的形貌特征为纹理突起处呈海绵状,网格纹理试样空蚀的形貌特征为纹理突起处出现针孔和疲劳裂纹及由脆性断裂引起材料剥离脱落产生的空蚀坑,状点纹理试样表面仅出现麻点状空蚀特征.各种纹理的凹陷处均无明显的空蚀特征,抗空蚀性能均得到明显增强.     

单双泡空化噪声计算分析

基于由单双泡动力学方程和Lighthill方程创建起来的单双泡空化噪声模型,通过Matlab语言编程计算,分析了水中空化泡的初始半径、双泡间距、声压幅值、超声频率、双频超声等因素对空化噪声的影响.计算及分析结果表明:在相同的初始条件下,单双泡的空化噪声曲线有不同的形态,双泡产生的空化噪声远大于单泡;对于单泡,空化泡的初始半径、声压幅值、超声频率、双频超声对空化噪声均有影响,其中空化泡初始半径和声压幅值的影响最为显著,在双频条件下,两声压分量幅值相等时单泡空化噪声达到最大.对于双泡,初始半径和声压幅值对空化噪声影响很大,而超声频率和双频超声对空化噪声的影响几乎可以忽略.     

超声处理溶液中蔗糖晶体的生长

研究超声处理对溶液结晶晶体生长的影响。结果表明，作用效果与晶休尺寸和空化泡半径有关，当晶种尺寸小于空化泡半径时，超声对晶体生长有促进作用；而当晶种尺寸数倍大于空化泡半径时则有反作用，使晶休表面凹蚀。     

不同配比的乳化生物质油/柴油空蚀行为的研究

文章利用磁致伸缩空蚀试验机研究了GCr15在不同配比的乳化生物质油/柴油中的空蚀行为,利用光学显微镜及扫描电镜观察了试样表面形貌,并用失重法评价了不同空化介质对材料空蚀程度的影响。结果表明,空蚀6h后,GCr15在20%的乳化生物质油/柴油中的空蚀失重达到最大,空蚀损伤最严重,整个试样的表面呈现微小的蚀坑,呈蜂窝状,此外,表面出现了一些较大的空蚀坑,其周围出现明显的裂纹。     

Cr-Ni-Mo-Cu堆焊合金与304不锈钢的空蚀

将Cr-Ni-Mo-Cu合金通过钨极氩弧焊堆焊到304不锈钢表面,利用超声波振动设备模拟空蚀环境,研究Cr-Ni-Mo-Cu合金作为不锈钢堆焊层,在人工海水环境下的空蚀行为及耐空蚀性能,测定Cr-Ni-Mo-Cu堆焊合金空蚀过程中的失重量和失重率,并与同样空蚀条件下的304不锈钢进行对比,用扫描电镜(SEM)对试样堆焊层的空蚀后的表面与截面进行观察.结果表明:Cr-Ni-Mo-Cu合金材料比304不锈钢具有更好的耐空蚀性能;空蚀过程中合金在晶界薄弱处易产生裂纹,并在延伸和扩展后促使材料发生剥落;空蚀冲击使合金发生了加工硬化,提高了堆焊层的耐空蚀性能.     

空化水射流的化学效应

在综述超声空化的有关研究成果的基础上,分析空化水射流中的微空泡溃灭时瞬时局部高温、高压产生的特殊的物理环境引发的复杂的化学效应:直接热分解、自由基的氧化和超临界水氧化;划分了空泡溃灭时化学反应区域;分析了空化水射流化学效应的影响因素.