超声振动珩磨作用下空化泡动力学及影响参数

为了合理利用超声振动珩磨作用下的空化效应,以磨削区单个空化泡为研究对象,考虑珩磨头合成扰动速度和珩磨压力的作用建立了磨削区空化泡的动力学模型。数值模拟了空化泡初始半径,珩磨压力,液体静压力和超声声压幅值对磨削区空化效应的影响。研究表明考虑超声振动珩磨作用时,空化泡膨胀的幅值会受到抑制,其溃灭时间也会缩短,而且较容易出现稳态空化。珩磨压力和液体静压力对磨削区空化主要起抑制作用,超声波声压幅值在一定范围内能够促进磨削区空化效果的提升。本文的研究为进一步理解超声振动珩磨的空化机理提供了理论支持。     

声场中双空化泡的运动特性

空化泡的运动特性是声场作用下的动力学行为,受空化泡初始半径,声压幅值,驱动声压频率,液体特性等众多因素的影响,是个复杂工程。本文从双空化泡运动方程出发,考虑到液体粘滞系数、空化泡辐射阻尼项的影响,研究了不同初始半径、驱动声压频率、驱动声压幅值、液体粘滞系数下空化泡泡壁的运动情况,研究结果表明不同初始半径、外界驱动声压频率、驱动声压幅值、液体粘滞系数均会对空化泡的膨胀比和空化泡的溃灭时间有一定影响。     

声场作用下两空化泡相互作用的研究

建立了声场作用下两空化泡泡壁的运动方程,得出了双空化泡的共振频率,振动半径及空化噪声声压．由频率方程,振动半径和声压方程可以看出两气泡的运动情况与单气泡的运动情况有着明显的不同．共振频率,共振振幅及声压与两气泡之间的间距有关．在一定的简化条件下,运用MATLAB语言对共振频率,共振振幅及空化噪声声压进行了数值求解,发现共振频率和共振振幅随空泡间距的增大而增大,空化噪声声压随距离增大先增大后减小． 关键词： 超声 空化 频率 声压     

超声场下刚性界面附近溃灭空化气泡的速度分析

为了揭示刚性界面附近气泡空化参数与微射流的相互关系, 从两气泡控制方程出发, 利用镜像原理, 建立了考虑刚性壁面作用的空化泡动力学模型. 数值对比了刚性界面与自由界面下气泡的运动特性, 并分析了气泡初始半径、气泡到固壁面的距离、声压幅值和超声频率对气泡溃灭的影响. 在此基础上, 建立了气泡溃灭速度和微射流的相互关系. 结果表明: 刚性界面对气泡振动主要起到抑制作用; 气泡溃灭的剧烈程度随气泡初始半径和超声频率的增加而降低, 随着气泡到固壁面距离的增加而增加; 声压幅值存在最优值, 固壁面附近的气泡在该最优值下气泡溃灭最为剧烈; 通过研究气泡溃灭速度和微射流的关系发现, 调节气泡溃灭速度可以达到间接控制微射流的目的.     

超声波声孔效应中气泡动力学的研究

在超声快速制取组织细胞病理切片的过程中，发现激励信号对切片制取效果有明显的影响.为了掌握超声激励信号对组织细胞的影响规律，达到快速制取病理切片的最佳状态，从气泡空化模型入手，通过改变激励信号频率、声压、气泡初始半径和液体黏滞系数等参量，研究了声孔效应中气泡动力学激励机制.数值计算表明：空化泡振动随激励声压增强而升高，随液体黏滞系数增强而减弱；一定频率范围内空化泡振动能保持在膨胀、收缩和振荡的稳定空化状态，存在空化泡稳态振动的最佳激励频率；一定初始半径能保证空化泡产生稳定的振动，存在空化泡稳态振动幅度最大的初始半径.实际操作中，在频率、声压、初始半径和黏滞系数综合作用的若干空化阈内，声孔效应使超声快速法制取细胞组织切片获得最佳效果. 关键词： 声孔效应 超声空化 气泡振动 稳态空化域     

低频超声空化场中柱状泡群内气泡的声响应

本文在气泡群振动模型的基础上,考虑气泡间耦合振动的影响,得到了均匀柱状泡群内振动气泡的动力学方程,以此为基础分析了低频超声空化场中柱形气泡聚集区内气泡的非线性声响应特征.气泡间的耦合振动增加了系统对每个气泡的约束,降低了气泡的自然频率,增强了气泡的非线性声响应.随着气泡数密度的增加,气泡的自然共振频率降低,受迫振动气泡受到的抑制增强.数值分析结果表明:1)驱动声波频率越低,气泡的初始半径越小,气泡数密度变化对气泡最大半径变化幅度的影响越大;2)气泡振动幅值响应存在不稳定区,不稳定区域分布与气泡初始半径、驱动声波压力幅值、驱动声波频率等因素有关.在低频超声波作用下,对初始半径处在1—10μm之间的空化气泡而言,气泡初始半径越小,气泡最大半径不稳定区分布范围越大,表明小气泡具有更强的非线性特征.因此,气泡初始半径越小,声环境变化对空化泡声响应稳定性影响越显著.     

功率超声珩磨磨削区空化声场的建模与仿真研究

通过建立Φ47功率超声珩磨磨削区流体-结构耦合声场的理论模型,采用ANSYS有限元分析软件对磨削区的空化声场进行了仿真分析,得出磨削区二维、三维空化声场的分布情况和声压幅值,并利用超声波功率测量仪对磨削区的空化声场进行模拟实验测量。结果表明:在谐振频率18.6 kHz下,声场主要集中在油石的中部,二维和三维声场的声压最大值分别为1.39 MPa和1.47 MPa,与实验测得声压最大值1.3 MPa在同一个数量级,为进一步研究功率超声珩磨空化效应提供理论和实验的基础。      

超声场中单气泡的平移和非球形振动

基于摄动理论和广义伯努利方程,推导出单气泡在超声场中径向振动方程、平移方程和气泡形变方程.数值计算这3个方程,可以得到气泡半径、气泡中心的位移和气泡形变随时间的演化图.计算结果表明:当气泡初始半径和驱动声压不变时,气泡中心初始平移速度增大,气泡径向振动几乎不变,但气泡中心位移和形变量增大,气泡非球形振动愈加明显.当初始平移速度比较小时,气泡的R_0-p_a相图中,不稳定区域仅集中在高驱动声压区域.随着气泡中心初始平移速度不断增大,半径和驱动声压均较小的区域开始呈现不稳定性,且整体不稳定空间范围逐渐增大.另外,气泡在声驻波场中不同位置呈现出不同的振动特征.离波腹点越近的气泡,其径向振动幅度越大,但气泡的平移和形变量变化很小,R_0-p_a相图中不稳定性区域平面分数之间的误差小于4%.     

高能超声制备碳纳米管增强AZ91D复合材料的声场模拟

建立了高能超声制备碳纳米管增强AZ91D复合材料的声场计算模型, 并采用有限元方法计算了20 kHz超声直接作用下AZ91D熔体的声场分布, 熔体声场呈辐射状分布, 距离声源越远, 声压幅值越低. 采用超声作用下单一气泡变化模型描述超声作用下AZ91D 熔体中的空化效应, 通过对Rayleigh-Plesset方程的求解, 得到了不同声压作用下气泡的变化规律, 获得了声压幅值与熔体空化效应的关系, 声压幅值越大, 气泡溃灭半径阈值越小, 熔体发生空化效应越容易. 计算了固定坩埚尺寸、不同超声探头没入熔体深度情况下的声场, 得到了超声探头最优没入深度为30 mm左右. 将声场计算结果以及AZ91D熔体中空化效应的发生规律进行综合分析, 得到了超声功率对有效空化区域的影响规律, 超声功率较大时, 有效空化区域体积随超声功率近似成线性增大. 最后, 通过甘油水溶液超声处理实验, 验证了模拟计算的准确性.     

超声清洗过程环境压力对声空化效应的影响*

在不同深度条件下的水下构建物超声清洗中,声空化是重要的源动力之一。为探明水下环境压力对声空化的影响,本文基于数值计算的方法,通过对超声波作用下气泡动力学的研究,讨论了环境压力对空化泡溃灭时的气泡最大半径、释放能量以及溃灭功率等因素的影响。结果表明：空化泡最大半径与环境压力在一定范围内呈近似线性关系;随着环境压力增大,空化泡释放能量和溃灭功率均显著减小,且两者在变化趋势和变化幅度上几乎一致;当环境压力大于声压幅值时,空化泡的最大半径、内部压强、内部温度与释放能量均远低于空化发生在环境压力小于声压幅值时的情形。     

超声波作用下泡群的共振声响应

从球状泡群气泡动力学方程出发, 考虑泡群间次级声辐射的影响, 得到了声场中两泡群共同存在时气泡振动的动力学方程, 并以此为基础探讨声波驱动下双泡群振动系统的共振响应特征. 由于泡群间气泡间的相互作用, 系统存在低频共振和高频共振现象, 两不同共振频率的数值与泡群内气泡的本征频率相关. 泡群内气泡的本征频率又受到初始半径、泡群大小和泡群内气泡数量的影响. 气泡自由振动和驱动声波的耦合激起泡群内气泡的受迫振动, 气泡初始半径、气泡数密度和驱动声波频率等都会影响泡群内气泡的振动幅值和初相位. 关键词： 气泡群 共振 声响应 超声空化     

次Bjerknes力作用下气泡的体积振动和散射声场

利用Lagrange方程得到了次Bjerknes力作用下气泡的体积振动方程,并探讨了次Bjerknes力作用下不同参数对气泡体积振动振幅和振动初相位的影响,研究了振动初相位差为π和0的气泡对在液体中形成的散射声场特征.结果表明:次Bjerknes作用力下,相邻气泡半径、气泡间距、多方指数均能影响气泡的体积振动振幅,气泡对的均衡半径、气泡间距和驱动频率则对气泡振动初相位产生明显影响;相距很近、相位相差为π的两个气泡的散射声压与气泡体积振动振幅、气泡间距、驱动频率和振动初相位有关,随声场距离成反比减小,与声场位置有关,其平均散射声功率是单个孤立气泡的1/6(kd_(12))~2半径相同、相距很近、相位相同的两个6气泡的散射声压与气泡振动初相位、体积振动振幅、气泡间距、驱动频率有关,随声场距离成反比减小,其平均散射声功率是单个孤立气泡的4倍.     

流体控制方程的超声空化泡动力学模拟*

本文基于流体动力学控制方程和VOF模型,在FLUENT 14.5软件环境下对超声空化泡进行数值模拟。首先研究了超声空化泡一个周期内的形态变化,并且利用空化泡形态变化的最大面积、最小面积、膨胀时间、收缩时间等数值结果分析超声参数对空化效果的影响。同时探究了双频超声作用下空化泡运动的变化,计算结果表明:在其他条件相同的情况下,在1~5MPa范围内,超声声压幅值为3MPa时空化效果最好;当超声频率大于20kHz时,空化效果随着超声频率的增大而降低。对于频率相同的双频超声,较声压幅值为其两倍的单频超声有更好的空化效果;对于频率不同的双频超声,空化效果受到频率差的影响。     

单泡超声空化仿真模型的建立及其动力学过程模拟*

为了模拟单泡超声空化的动力学特性,建立了单泡超声空化的有限元仿真模型,基于流体动力学控制方程和流体体积分数模型,利用有限元分析软件模拟了超声驱动下水中单泡的空化动力学过程。结果表明:单泡随时间的演化规律是先缓慢膨胀到最大后迅速塌缩;泡内压强与气体密度变化与单泡体积变化成反比;在膨胀阶段,泡外压强与气体密度沿着泡的径向向外递减;在压缩阶段,泡外在声压垂直方向的压强与气体密度要大于声压激励方向的压强和气体密度。该文分析结果将为超声空化动力学过程模拟及研究提供参考。     

Bubble nonlinear dynamics and stimulated scattering process

A complete understanding of the bubble dynamics is deemed necessary in order to achieve their full potential applications in industry and medicine. For this purpose it is first needed to expand our knowledge of a single bubble behavior under different possible conditions including the frequency and pressure variations of the sound field. In addition, stimulated scattering of sound on a bubble is a special effect in sound field, and its characteristics are associated with bubble oscillation mode. A bubble in liquid can be considered as a representative example of nonlinear dynamical system theory with its resonance, and its dynamics characteristics can be described by the Keller–Miksis equation. The nonlinear dynamics of an acoustically excited gas bubble in water is investigated by using theoretical and numerical analysis methods. Our results show its strongly nonlinear behavior with respect to the pressure amplitude and excitation frequency as the control parameters, and give an intuitive insight into stimulated sound scattering on a bubble. It is seen that the stimulated sound scattering is different from common dynamical behaviors, such as bifurcation and chaos, which is the result of the nonlinear resonance of a bubble under the excitation of a high amplitude acoustic sound wave essentially. The numerical analysis results show that the threshold of stimulated sound scattering is smaller than those of bifurcation and chaos in the common condition.