超声波作用下的毛细现象

利用超声空化理论解释了超声毛细现象,理论分析了声压、温度、毛细管内径3个参量对毛细管内液面上升高度的影响.超声波的声压作为影响单泡空化强度的决定性因素,对超声毛细现象具有重要影响.当声压低于空化阈值时,超声毛细现象难以发生;当声压超过空化阈值时,超声毛细现象的剧烈程度与声压大小成正相关.实验探究了声压、温度、毛细管内径对毛细管内最终液面上升高度的影响,验证了超声空化理论对超声毛细现象的理论解释,实验结果与超声空化理论相吻合.     

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。     

双泡超声空化计算分析

将由速度势叠加原理得到的双泡超声空化动力学微分方程归一化,通过matlab语言编程计算,分析了水中空化泡的线度、双泡间距、声压幅值、声波频率等因素对空化过程的影响. 在双泡超声空化动力学微分方程中引入双频超声,探讨了双泡双频超声问题. 研究表明泡的线度是决定空化特性的主要因素,声压幅值对空化特性的影响最大,其次是超声波的频率;双泡间的相互作用影响空化特性,这种影响随双泡间距的增大而减弱;双频超声对双泡空化特性的影响有限,这种影响在两超声分量的声压幅值相等时较强. 关键词： 超声空化 双泡 双频超声     

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.     

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。      

声场中水力空化泡的动力学特性

以水为工作介质,考虑了液体黏性、表面张力、可压缩性及湍流作用等情况,对文丘里管反应器中空化泡在声场作用下的动力学行为特性进行了数值研究.分析了超声波频率、声压及喉径比对空化泡运动特性以及空化泡崩溃时所形成泡温以及压力脉冲的影响.结果表明,超声将水力空化泡运动调制成稳态空化,有利于增强空化效果. 关键词： 超声波 水力空化 湍流 气泡动力学     

基于声光折射的聚焦超声焦点声压检测

提出了一种基于声光折射对聚焦超声焦点声压进行非侵入式检测的方法。当一束直径小于声波长的平行光束入射穿过聚焦超声的焦点时,通过研究焦点声压与光线偏转的具体关系,建立了光线最大偏转距离与焦点声压变化的关系模型,从而计算出焦点峰值声压。为了对理论模型进行验证,采用凹球面型聚焦换能器进行实验研究。通过与采用光纤水听器测量的结果进行对比,证明理论模型的可行性。结果表明实验得到的光斑图像与理论分析的结果一致,且用该方法测得的焦点峰值声压与光纤水听器测量的结果相比,相对误差小于15%,证明该方法具有可行性,能够定量检测焦点峰值声压。模型的提出也为将声光折射效应用于整个聚焦声场的定量检测提供了实验依据和理论依据。     

声驻波场中空化泡的动力学特性

以水为工作介质, 考虑了液体的可压缩性, 研究了驻波声场中空化泡的运动特性, 模拟了驻波场中各位置处空化泡的运动状态以及相关参数对各位置处空化泡在主Bjerknes力作用下运动方向的影响. 结果表明: 驻波声场中, 空化泡的运动状态分为三个区域, 即在声压波腹附近空化泡做稳态空化, 在偏离波腹处空化泡做瞬态空化, 在声压波节附近, 空化泡在主Bjerknes 力作用下, 一直向声压波节处移动, 显示不发生空化现象; 驻波场中声压幅值增加有利于空化的发生, 但声压幅值增加到一定上限时, 压力波腹区域将排斥空化泡, 并驱赶空化泡向压力波节移动, 不利于空化现象的发生; 当声频率小于初始空化泡的共振频率时, 声频率越高, 由于主Bjerknes 力的作用将有更多的空化泡向声压波节移动, 不利于空化的发生, 尤其是驻波场液面的高度不应是声波波长的1/4; 当声频率一定时, 空化泡初始半径越大越有利于空化现象的发生, 但当空化泡的初始半径超过声频率的共振半径时, 由于主Bjerknes力的作用将有更多的空化泡向声压波节移动, 不利于空化的发生.     

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     

亚临界水中超声激励空化泡动力学分析

考察亚临界水中压力和温度对超声空化泡动力学的影响。应用非线性Rayleigh-Plesset方程模拟空化泡运动过程,并利用Matlab软件编程求数值解,用碘量法测定超声在亚临界水中的声空化产额。结果表明:当亚临界水的压力相似文献   

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。     

碟形超声变幅杆的设计

优化超声变幅杆的形状结构可有效地提高水域声场分布和空化区域,提升对水域超声空化效果。通过模拟分析发现传统超声变幅杆在水域中具有声场分布均匀性差、变幅杆端部声压高等特征,不利于声波在水域中传播。基于此,提出并优化设计了一种具有碟形结构的变幅杆,位于变幅杆的最大振幅处的碟形结构,有更大的振动位移;模拟表明其水域声场和声压均衡度显著优于传统变幅杆,铝箔空化腐蚀实验进一步证实了其水域中的声压分布均匀性。同时,实验通过铝箔的空化腐蚀、KI剂量测定及工件表面油渍去除对比了传统变幅杆和碟形变幅杆,分析表明碟形变幅杆所在水域中有较大的空化腐蚀区域,腐蚀速率明显提升,声化学反应速率提高,油渍去除程度增强,说明了设计的碟形变幅杆能够促进空化泡的产生,增加水域空化区域。     

超声波降解有机物溶液的气泡动力学研究

在超声波降解有机物溶液过程中,超声空化产生的高温高压以及空化泡振荡产生的激波在有机物溶液的降解中发挥重要作用.本文通过对超声波作用下气泡动力学的研究,讨论了超声波声压、频率、气泡初始半径等参量对有机物溶液降解效率的影响.研究发现,存在使降解效率极大的声压和频率。在空化稳定的情况下,存在一个使降解效率极大的气泡初始半径,降解效率随着黏滞系数的增大而减小。研究还发现,双频超声作用的空化效果比单频超声作用时强,与双频超声作用下有机物溶液降解率较大这一实验结果一致。      

液体材料超声处理过程中声场和流场的分布规律研究

针对合金熔体等液体材料的超声处理过程,选取水作为透明模型材料,采用数值模拟计算和示踪粒子实验方法,研究了20和490 kHz两种频率超声作用下水中的声场和流场分布.结果表明,增大变幅杆半径能够提高水中声压水平,扩大空化效应的发生区域.当超声频率为20 kHz时,水中声压最大值出现在超声变幅杆下端面处,且声压沿传播距离的增大而显著减小.如果超声频率增加至490 kHz,水中的声压级相比于20 kHz时明显提高,且声压沿着超声传播方向呈现出周期性振荡特征.两种频率超声作用下水中的流场呈现相似的分布特征,且平均流速均随着变幅杆半径增大表现出先升高后降低的趋势.变幅杆半径相同时,20 kHz频率超声作用下水中的平均流速高于490 kHz频率超声.采用示踪粒子图像测速技术实时观察和测定了水中的流速分布,发现其与计算结果基本一致.     

考虑水蒸气蒸发和冷凝的球状泡群中泡的动力学特性

为了深入探究空化泡群中气泡的动力学特性,建立了超声驱动下考虑水蒸气的蒸发和冷凝的泡群中泡的动力方程.基于该方程,研究了泡群中泡的位置、泡的数量、泡的初始半径对其动力学特性的影响,探究了超声作用下球状泡群中气泡半径、能量、温度、压力和气泡内水蒸气分子数的变化规律.结果表明:泡群中泡的运动受到周围气泡的抑制作用;泡群中泡的初始半径大小对泡群中泡的半径、能量、温度、压力和气泡内水蒸气分子数有显著影响;泡群中泡的位置距离泡群中心越远,泡的膨胀半径越大;随着泡群中泡的数目增加,泡的振幅减小;超声频率增加,泡群中泡的空化效应减弱;超声声压增加,泡群中泡的空化效应增加.研究结果为超声空化泡群的研究提供了理论参考.     

机械搅拌对声空化动力学特性的影响

涡流场影响着声场分布,进而影响着声空化特性,以机械搅拌产生的涡流场为研究对象,使用COMSOL软件数值模拟了不同搅拌速度下的声场分布情况.结果显示,机械搅拌增加了声场分布的均匀性和声压幅值.接下来将仿真得到的瞬时声压值用Origin软件拟合,然后将拟合得到的声压函数代入Keller-Miksis气泡动力学方程中,得到了不同搅拌速度下空化泡的半径随时间的变化情况,从计算结果中发现,未加机械搅拌的条件下,只有z=7.3 cm截面上有空化效应产生.最后根据所得到的空化泡半径,计算了空化泡内部的温度.结果显示,空化泡在有搅拌存在的条件下,内部温度得到了大幅增加,当搅拌速度达到1000 r/min后,空化泡内部温度会随着搅拌速度的增加而降低.最后设计实验验证了仿真结果.仿真得到的结果不仅从理论上解释了机械搅拌提高有机溶液超声降解率的原因,还发现了过高的搅拌速度会降低声空化强度,从而降低声化学反应速率,这为通过机械搅拌来进一步提高超声降解率提供了新思路.     

组织内包膜微泡声空化动力学及其力学效应分析

声空化机械效应是聚焦超声治疗的重要物理机制.以脂类包膜微泡/纳米相变液滴为空化核可显著地增强空化效应,本文耦合空化动力学、组织和脂类包膜黏弹性模型,构建了组织内脂类包膜微泡声空化动力学模型,数值分析了微泡声空化动力学行为以及周围组织内机械应力的时空分布规律,并探究了包膜材料、组织黏弹性和驱动声压等关键参数的影响.包膜和组织黏弹性都将抑制微泡振动,但组织黏弹性的抑制作用更大.组织内机械应力在膨胀阶段为挤压应力,而在收缩阶段和反弹初始阶段为拉伸应力,且应力局部分布于微泡壁附近,随着距离增大而显著减小,其中拉伸应力衰减率明显更大.包膜黏弹性可减小应力,但声压较大时,应力减小可忽略不计.应力随着组织弹性增大而减小,随着组织黏度增大而先增大后减小,随着声压增大而增大.本研究可为进一步阐释聚焦超声治疗中组织机械损伤的内在机制奠定重要理论基础.     

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。     

声光协同作用下金纳米颗粒表面空化泡的动力学研究

在激光和超声的协同作用下,金纳米颗粒表面会产生空化气泡。本文通过观察各种参数条件下空化泡的振荡变化,研究了激光光热、超声空化及其协同效应。研究发现,光热作用和激励声压的改变可以调节气泡的动力学过程,光热效应的增强有利于气泡的膨胀,激励声压的增加可以提高气泡运动的剧烈程度。两者的协同作用可以使气泡稳定存在并经历不同的振荡过程。此外,激光与超声协同方式的变化对气泡的运动过程有一定影响。