基于空间分布特性角度进行柱形料腔中超声空化效应分析（声学论文） ㊣ 精品文档 值得下载

并且圆柱形料腔声场在谐振液位时的发光面积百分比大于非谐振液位时的发光面积百分比，即柱形料腔在谐振液位下，空化效应远强于非谐振液位，具有更高的能量转化效率。

结论本文基于有限元方法进行仿真，再应用鲁米诺声致化学发光度等于时，超声空化效应随功率增加仅在变幅杆端部区域出现，且呈现局域空化分布特性。

关键词功率超声声学柱形料腔空化效应谐振液位非谐振液位高度鲁米诺声致化学发光法超声波破碎是利用声能对液体内的固体颗粒或生物组织实施破碎的过程，与传统破碎技术相比，超声破碎可获得更为均匀和细小的粒径，并具有更高的能效。

空化效应作为超声破碎中的主要作用机制，理解超声空化效应的形成，如何增强空化效应的作用范围，提高超声能效的利用已成为超声研究的重要内容，。

超声空化效应是由料液声场中的交变压力所引发，超声波的输入频率振幅，声场条件料液空化阈值，是影响空化效应的直接因素。

当超声波频率料液确定时，提高超声波的输入振幅，改变声场条件是增强超声空化的有效措施。

基于空间分布特性角度进行料液界面为刚性壁硬边界全反射条件料液空气界面为软边界全反射条件料液玻璃壁面空气可视为料液空气软壁面边界全反射条件，由于超声在中间层玻璃中的波长纵波约为，远大于玻璃壁厚，根据声波通过中间层的传播规律，玻璃层透射系数约为，因此可忽略中间层玻璃的影响，简化为料液空气边界条件。

结果与分析声源边界条件的确定由于声源边界条件为超声变幅杆端部振动速度，因此需获取超声变幅杆的工况频率和振速幅值作为仿真声源边界条件，以确保仿真的有效性。

取功放电流为和，变幅杆端部振速幅值随频率的变化如图所示。

图声源振速频谱图变幅杆出厂标称频率为。

由图可知，其工况频率为，频率误差为，对于条件下模态液位计算的影响较小，对于平均声能量密度幅值及分布的量化分析计算影基于空间分布特性角度进行柱形料腔中超声空化效应分析声学论文间分布不变，声能辐射效果好，声能的辐射便最大限度地得到了提高，并且是随着电流的增大，声能密度随之增大。

在谐振液位时，因柱形料腔中产生共振的现象明显，共振效果好，导致空化效应明显，声能密度较大而非处于谐振液位时，共振效果不明显，声能密度峰值小，并且谐振液位是非谐振液位声能密度峰值的倍左右。

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由软壁面边界条件和对称声源特性，可以得到圆柱形管腔内高次波贝塞尔函数为式中取大于的正整数。

为轴线波束的简正波数为阶柱贝塞尔函数的第个根值为料腔半径，单位为。

由式可以获得当声波沿轴径向方向传播时，简正波数为正整数时的液位高度单位，即为圆柱形料腔声场的高次波对应的各阶声模态谐振液位高度。

研的声能分布大大提高，由此可知，超声破碎应用中，当料腔中料液物性边界条件声源强度定时，声源频率达到料腔声场的声模态频率谐振频率，可增强声传播能量，提高空化能利用率并有效增加空化作用范围。

空化能难以直接测量，可以表示为平均声能密度其中，为声场体积元内的总声能量，单位为为声场体积元，单位为。

液位高度为时，该声场条件下的阶谐振频率与偏差较大，在声源频率为时不能形成谐振条件，场内声压分布如图所示。

液位高度为时，该声场条件下谐振频率为时，波束沿轴线方向形成个简正波数，表现为阶声模态特性，其声压分布呈双椭圆上下对称分布，两声压极值位臵分别位于料腔高度的和处，对称面位于料腔高度的处，且该对称面处声压为。

声压幅值远高于非谐振液位条件，且声压最柱形腔体，声场模型的网格划分根据轴对称条件，可简化为轴对称维平面，取半进行边形网格划分，网格最大边长为，计算上限频率约为。

传声媒介的特性取值设定水的密度为，声速取。

边界条件声源边界条件是变幅杆端部振动速度实测值壁面边界条件是变幅杆侧面料液界面为刚性壁硬边界全反射条件料液空气界面为软边界全反射条件料液玻璃壁面空气可视为料液空气软壁面边界全反射条件，由于超声在中间层玻璃中的波长纵波约为，远大于玻璃壁厚，根据声波通过中间层的传播规律，玻璃层透射系数约为，因此可忽略中间层玻璃的影响，简化为料液空气边界条件。

结果与分析声源边界条件的确定由于声源边界条件为超声变幅杆端部振动速度，因此需获取超声变幅杆的工况频率和振速幅值作为仿摘要研究了的圆柱形料腔中超声空化效应的形成及其空间分布特性。

应用柱贝塞尔函数，推导获取了柱形声场内超声传播的声能密度的分布，并采用有限元方法进行仿真分析。

针对频率为的功率超声实验，结合声学测量方法和鲁米诺声致化学发光方法，对理论分析结果进行了验证对照。

结果表明料腔半径，谐振液位高度时，若功放电流，超声空化效应出现在变幅杆端部区域若功放电流，空化效应显著增强，空化效应的空间分布与场内声压分布致，空化效应受声模态影响，形成远场空化效应的分布特性若功放电流，受非线性因素影响，谐振液位时，空化效应在声流作用下呈柱形拖尾状分布，并在底部壁面边界形成平铺状分布非谐振液位高度等于时，超声空化效应随功率增加仅生物学通报，郭璇，杨艳玲，李星，等超声空化及絮体破碎过程的模拟与试验分析中国环境科学，岑为，夏先知，刘月祥，等基于超声破碎测定聚丙烯球形催化剂强度的方法石油炼制与化工，张婵，郑爽英超声空化效应及其应用水资源与水工程学报，应崇福液体中的声处理应用和声空化工程应用声学，崔方玲，纪威超声空化气泡动力学仿真及其影响因素分析农业工程学报，刘丽艳，刘芃宏，杨洋，等超声频率和液位对空化场的影响天津大学学报自然科学与工程技术版，张艾萍，杨钊，夏荣涛，等超声频率和管型对超声空化效应的影响研究化工机械，李争彩，林书玉超声空化影响因素的数值模拟研究陕西师范大学学报自然科学版，杨日福，丘泰球，罗登林超临界流体中超声空化阈值的研究华南理工大学学报自然科学版，林书玉柱状图如图所示。

图谐振液位时在不同电流下的图像图谐振与非谐振液位在不同电流下发光面积占比图中，柱形料腔在在非谐振液位电流在时，鲁米诺发光面积占比百分数随着电流的增大而增强，在谐振液位，电流在时，随着电流的增大，鲁米诺发光面积占比百分数先增大后减小，此时的空化效应效果明显。

并且圆柱形料腔声场在谐振液位时的发光面积百分比大于非谐振液位时的发光面积百分比，即柱形料腔在谐振液位下，空化效应远强于非谐振液位，具有更高的能量转化效率。

结论本文基于有限元方法进行仿真，再应用鲁米诺声致化学发光的方法，对柱形料腔中的空化效应进行半定量测量，研究了功率和液位高度对超声空化效应的空间分布特性的影响规律，得到以下结论将实验方法与有时产生的高温高压可水解产生羟基自由基，并与鲁米诺发生反应，羟基化的鲁米醇显示强烈的化学发光，这种现象被称为声致化学发光。

发光强度由羟基数量决定，即超声空化强度大小反映了声场能量的分布特性决定。

为了有效增加羟基数量，可在水溶液中加入适量或，鲁米诺浓度宜采用，的添加量为。

为观察发光现象，实验采用暗室条件，声致化学发光可形成淡蓝色的光束，肉眼可见，采用数码相机记录图片，曝光时间。

料腔工况条件为底部悬臵点支撑条件，使料腔底部与料腔径向壁面的边界条件统为软边界条件。

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图非谐振液位时在不同电流下的图像谐振液位的空化场特征柱形料腔中，在谐振液位时，数值模拟研究陕西师范大学学报自然科学版，杨日福，丘泰球，罗登林超临界流体中超声空化阈值的研究华南理工大学学报自然科学版，林书玉，鲜小军功率超声换能振动系统的优化设计及其研究进展陕西师范大学学报自然科学版，刘浩东，胡芳友，李洪波，等功率超声技术的分类研究及应用电焊机，潘巧生，刘永斌，贺良国，等种大振幅超声变幅杆设计振动与冲击，张颖，刘晓宙，龚秀芬两个硬边界附近的声流的数值计算英文南京大学学报自然科学，刘丹晓，周城光，刘克谐振管形状对热声发动机内非线性声场的影响声学学报，魏鑫，吴胜举，许昊，等槽壁边界对超声清洗声场特性的影响陕西师范大学学报自然科学版，郭策，祝锡晶，王建青，等超声场下刚性界面附近溃灭空化气泡的速度分析物理学报，俞剑，刘斌，徐雪基于空间分布特性角度进行柱形料腔中超声空化效应分析声学论文鲜小军功率超声换能振动系统的优化设计及其研究进展陕西师范大学学报自然科学版，刘浩东，胡芳友，李洪波，等功率超声技术的分类研究及应用电焊机，潘巧生，刘永斌，贺良国，等种大振幅超声变幅杆设计振动与冲击，张颖，刘晓宙，龚秀芬两个硬边界附近的声流的数值计算英文南京大学学报自然科学，刘丹晓，周城光，刘克谐振管形状对热声发动机内非线性声场的影响声学学报，魏鑫，吴胜举，许昊，等槽壁边界对超声清洗声场特性的影响陕西师范大学学报自然科学版，郭策，祝锡晶，王建青，等超声场下刚性界面附近溃灭空化气泡的速度分析物理学报，俞剑，刘斌，徐雪冬，冯丽丽柱形料腔中超声空化效应的空间分布特性研究声学技术，基金国家重点研发计划资助北京市自然科学基金市教委联合资助项目资助液位条件下，功率大小即功放电流大小也是影响声能密度幅值与空化效应空间分布特性的重要因素。

功率大小对声能和空间分布特性影响显著。

在低功率条件下，空化效应呈线性模态分布，超声能量转换更为高效在高功率条件下，空化效应受声流影响呈非线性分布，空化区域呈柱形束状分布，会导致液体温升明显，壁面边界的空化腐蚀效果增强。

本文研究了超声空化效应的空间分布特性，拓展了空化效应理论的研究，为超声破碎的实际应用和化学反应器的设计优化提供了理论参考。

参考文献何明霞，夏大祥，王康，等低频超声激励射流破碎过程模拟与实验研究天津大学学报自然科学与工程技