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兰姆波驱动微流体温度分布研究

压电与声光 2024年第3期46卷 315-321页

作者：顾赫梁威上海工程技术大学机械与汽车工程学院上海201620

该文应用压电陶瓷器件激发频率1 MHz的兰姆波在非压电基板上进行了微流体温度分布的研究。经理论分析表明,兰姆波向流体中辐射纵波以及兰姆波在介质中传播时的粘性摩擦损失产生了声热效应。采用红外摄像机观察液滴从兰姆波激发直至达到... 详细信息

该文应用压电陶瓷器件激发频率1 MHz的兰姆波在非压电基板上进行了微流体温度分布的研究。经理论分析表明,兰姆波向流体中辐射纵波以及兰姆波在介质中传播时的粘性摩擦损失产生了声热效应。采用红外摄像机观察液滴从兰姆波激发直至达到稳态时的热分布变化,发现液滴在兰姆波入射一侧的温度高于其他区域且高温区域有向顶部扩散的趋势。观察不同液体黏度液滴的声热现象,发现油滴的温度扩散更均匀,动力学行为更弱。采用有限元分析声流和声热效应,发现液滴在顶部区域声流速最大,在声流作用下,液滴的高温区域扩散至顶部。

关键词：兰姆波非压电基板声热效应热分布声流效应

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基于弱可压缩方程的声流效应数值研究

基于弱可压缩方程的声流效应数值研究

作者：刘峰华中科技大学

学位级别：硕士

微流体驱动技术主要有:压力驱动、电渗驱动、光摄驱动、热气泡驱动、表面张力驱动等,而超声波微流体驱动具有高效清洁、易于集成的特点而具有独特的优势和发展前景。超声波对微流体的驱动,主要是流体中连续并且振幅弱小的声波动,通过非... 详细信息

微流体驱动技术主要有:压力驱动、电渗驱动、光摄驱动、热气泡驱动、表面张力驱动等,而超声波微流体驱动具有高效清洁、易于集成的特点而具有独特的优势和发展前景。超声波对微流体的驱动,主要是流体中连续并且振幅弱小的声波动,通过非线性的声流效应,使声场能量转化为流体的宏观平均运动,从而实现了用超声波驱动流体。目前,超声波驱动微流体的研究多在实验研究,数值研究较少。本文采用了一种适用于水的可压缩流动控制方程,即非定常的弱可压缩流体控制方程,在求解技术上采用了一种类似于有限体积法的时空守恒元/解元算法,这种算法目前已被大量用于基于气体的直接气动声学模拟研究,并得到了很好的求解精度。在此基础上,本文主要完成了以下几个方面的工作:1、通过对当前的弱可压缩方程及水的状态方程分析,得到了适用于研究水的气动声学问题的控制方程,再结合守恒元/解元算法,整理出了研究此类问题的计算模型及边界处理方法;2、通过对平板层流边界层、环形库塔流及方腔驱动流的直接模拟,在小马赫数(近似不可压缩)条件下,分别对比了本方法与理论解、其他经典解的结果,对比结果表明,本研究方法能够准确的计算流体中的粘性问题;3、通过模拟线声源、点声源、连续声波在粘性流体中的运动及耗散,验证了本方法可以准确的模拟出水中的声波现象,本研究方法具有低色散及低耗散特性;4、模拟了一种经典的驻波声流问题,结果与其它研究者的理论结果一致。再结合上述2,3,说明本研究方法能够用于直接模拟水的声流问题;5、通过模拟连续声波与二维管道、带收缩段二维管道中声流问题的研究,得到了声流效应与声波频率、声波振幅的一些规律。

关键词：声流效应计算气动声学守恒元/解元方法弱可压缩方程

超声凝固条件下二元Al-12.6%Si共晶合金的组织演变机制研究

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中国科学：技术科学 2023年第3期53卷 353-362页

作者：王宝剑王建元吴文华翟薇王旭靳占奎魏炳波西北工业大学物理科学与技术学院西安710129

在三维高强超声场中实现了二元Al-12.6%Si共晶合金的动态凝固过程,探索了其组织演变机制.结果表明,静态凝固条件下形成典型的共晶组织,其中(Si)相呈不规则薄片状,而α(Al)相为枝晶状.三维超声作用下,空化引起熔体过冷和声流改变温度场... 详细信息

在三维高强超声场中实现了二元Al-12.6%Si共晶合金的动态凝固过程,探索了其组织演变机制.结果表明,静态凝固条件下形成典型的共晶组织,其中(Si)相呈不规则薄片状,而α(Al)相为枝晶状.三维超声作用下,空化引起熔体过冷和声流改变温度场和溶质场的分布特征,使两共晶相独立形核,从而形成离异共晶组织.超声的高频振动效应增加了(Si)相的孪晶生长几率,导致大量交错孪晶(Si)相产生.由于超声降低了两相之间的界面能,共晶组织平行生长取向程度升高,同时其显微硬度显著提高.

关键词：超声凝固共晶生长组织演变空化效应声流效应

超声场中液体材料的空化和声流动力学研究进展

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中国科学：技术科学 2023年第1期53卷 2-27页

作者：吴文华翟薇王建元魏炳波西北工业大学物理科学与技术学院西安710072

高强超声在液体中传播所产生的空化和声流效应能够有效调控传热传质过程,因此在材料制备和成形过程中具有广阔的应用前景.由于合金熔体的不透明性导致无法直接实验观察超声作用机制,数值模拟方法成为全面分析超声传播特性及其对合金凝... 详细信息

高强超声在液体中传播所产生的空化和声流效应能够有效调控传热传质过程,因此在材料制备和成形过程中具有广阔的应用前景.由于合金熔体的不透明性导致无法直接实验观察超声作用机制,数值模拟方法成为全面分析超声传播特性及其对合金凝固作用规律的有效途径.本文首先综述了超声传播方程由线性模型向非线性模型的演变历程,并总结了超声功率、变幅杆半径、容器几何形状和超声维度等因素对声压和声流分布的作用规律.其次,介绍了单泡和多泡体系中的超声空化动力学模拟结果,包括各种参量对气泡振荡过程的调控、非球形气泡失稳机制、气泡间的相互作用以及超声空化对液体中温度和压强的作用机理.然后,将超声空化和声流的数值模拟与金属凝固过程相结合,介绍了多种模拟超声凝固的宏观和微观数值模型,并系统总结了超声空化和声流效应对晶体形核生长和流动传热的作用机制.最后,对该领域的未来研究方向进行了展望.

关键词：高强超声空化效应声流效应数值模拟液态合金晶体生长

超声振动辅助激光熔覆WTaNbMo合金工艺及高温性能研究

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超声振动辅助激光熔覆WTaNbMo合金工艺及高温性能研究

作者：侯健成江苏科技大学

学位级别：硕士

WTaNbMo难熔高熵合金凭借着优异的高温强度和抗热腐蚀性能,在航空航天领域有着广泛的应用。由于航天飞机发动机零部件因长期处于高温磨损的工作环境会产生缩短使用寿命的问题,凭借激光熔覆层具有良好冶金结合、优异性能的特点,可以有效... 详细信息

WTaNbMo难熔高熵合金凭借着优异的高温强度和抗热腐蚀性能,在航空航天领域有着广泛的应用。由于航天飞机发动机零部件因长期处于高温磨损的工作环境会产生缩短使用寿命的问题,凭借激光熔覆层具有良好冶金结合、优异性能的特点,可以有效改善航空航天领域中发动机等零部件的损耗问题。然而,激光熔覆难熔高熵合金存在熔覆层宏观成形质量不高、晶粒粗大以及熔覆层组分分布不均的问题,致使熔覆层实际达到的性能不能满足使用要求。由于超声振动辅助激光熔覆技术制备的熔覆层具有成形更加完美、晶粒细小、熔覆层组分分布更加均匀的特点,超声振动辅助激光熔覆技术可以有效解决激光熔覆难熔高熵合金过程中所出现的问题,有利于WTaNbMo难熔高熵合金在激光熔覆领域中的应用与发展。本研究首先利用TruDisk 4002碟片激光器、超声振动辅助激光熔覆试验台等设备搭建超声振动辅助激光熔覆试验系统;然后利用超声振动辅助激光熔覆的方法,在5mm厚的Inconel 718基板上激光熔覆WTaNbMo熔覆层。对比研究了激光熔覆与超声振动辅助激光熔覆以及超声振动辅助后重熔三种工艺方法下,工艺参数对熔覆层的宏观成形、微观组织、物相的影响,并且对比了在这三种工艺方法下制备的WTaNbMo熔覆层的显微硬度、高温氧化性以及高温耐磨性的差异。主要研究成果如下:利用超声振动辅助激光熔覆工艺制备的WTaNbMo熔覆层的宏观成形相比于激光熔覆WTaNbMo熔覆层的宏观成形更好,利用超声振动辅助后重熔工艺所制备的WTaNbMo熔覆层的宏观成形质量及平整性最优。在激光熔覆过程中,超声振动可以促进熔覆层内部组分分布均匀化,利用超声振动辅助后重熔工艺所制备的WTaNbMo熔覆层的组分分布更加均匀。相对于激光熔覆工艺而言,利用超声振动辅助激光熔覆工艺制备的WTaNbMo熔覆层的晶粒尺寸明显变小。超声振动辅助激光熔覆工艺制备完WTaNbMo熔覆层后,施加激光重熔所得到的WTaNbMo熔覆层的组织进一步细化致密,其中激光熔覆WTaNbMo熔覆层的晶粒尺寸为0.358μm,超声振动辅助激光熔覆WTaNbMo熔覆层的晶粒尺寸为0.344μm,超声振动辅助后重熔WTaNbMo熔覆层的晶粒尺寸为0.329μm。在超声振动辅助激光熔覆和超声振动辅助后重熔工艺中,由于没有其他元素的引入,WTaNbMo熔覆层原本的化学反应不会受到影响,WTaNbMo熔覆层的物相不会发生变化,主要为WTaNbMo单相固溶体和γ-Ni固溶体。利用超声振动辅助后重熔工艺制备的WTaNbMo熔覆层具有较高的显微硬度、较优的抗氧化性和耐磨性,当超声振幅为9.6μm时重熔WTaNbMo熔覆层的平均显微硬度值最高为984.4 HV;在高温氧化过程中,由于重熔WTaNbMo熔覆层的晶粒细小且致密,熔覆层内组分分布更加均匀,熔覆层表面的晶界明显增多,氧化膜的形核更加容易,形成连续完整具有抗氧化作用的氧化膜的速度加快,致使WTaNbMo熔覆层的抗氧化性能提高;利用超声振动辅助后重熔工艺制备的WTaNbMo熔覆层的高温耐磨性最优,当磨损温度为1000℃时,磨损机制主要为氧化磨损,无其他磨损。

关键词：超声振动难熔高熵激光熔覆声流效应组分均匀

格子Boltzmann方法应用于声流效应及悬浮颗粒声波驱动规律研究

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格子Boltzmann方法应用于声流效应及悬浮颗粒声波驱动规律研究

作者：周天华中科技大学

学位级别：硕士

作为一种高效、清洁的驱动和控制技术,声波驱动微流体流动,在MEMS及生物芯片中有独特的优势和应用价值。声波驱动微流体流动主要依靠声波的非线性耗散及固壁的摩擦,产生的非定常时均流动——声流。声流过程快、边界层尺度小,研究较为困... 详细信息

作为一种高效、清洁的驱动和控制技术,声波驱动微流体流动,在MEMS及生物芯片中有独特的优势和应用价值。声波驱动微流体流动主要依靠声波的非线性耗散及固壁的摩擦,产生的非定常时均流动——声流。声流过程快、边界层尺度小,研究较为困难,目前的研究多集中在对其累积行为的实验研究上,而声流形成的过程与机理研究相对较少。本文仿照计算气动声学(CAA)方法,对多松弛格式的格子Boltzmann方程进行了直接求解,计算了声场及声流流动,并结合浸润边界(IB)法针对声流效应以及悬浮颗粒声波驱动规律,开展了计算模拟,具体工作如下:1、通过经典算例对不同松弛格式以及曲面边界进行了验证和比较,发现多松弛格式能改善存在奇点计算域的稳定性,多块网格用于局部加密能提高数值精度,还提出具较高数值精度的有统一格式MGUO曲面边界。2、通过一维、二维声波衰减问题比较了不同无反射边界的特征与精度,定义了线性声波的临界幅值,提出了具有最佳无反射效果的新无反射边界MNEAL,并通过修正LODI极大的改善了原格式y轴速度的反射率。3、模拟了平板间驻波声流并分析了黏性与板间高度对内外声流的影响,发现这些因素对边界层内部声流的影响更为显著,且当2H/?(28)10时平板间仅存在内部声流。4、结合IB法先通过研究了驻波声流中单悬浮颗粒的运动规律,分析了不同特征位置释放以及内外声流对颗粒运动规律的影响,并发现颗粒与边界之间的狭窄空间会诱发高强度二次声流与外部声流相平衡,使得颗粒被边界层驻点捕获,最后还给出了颗粒从边界层驻点运动至中心驻点并被其捕获的初始速度。本文验证了使用格子Boltzmann方法进行声流问题研究的可行性,提出了可用于行波声流精确模拟的新无反射边界,还对驻波声流以及颗粒驱动问题进行了初步研究。

关键词：声流效应格子Boltzmann方法声波驱动颗粒运动无反射边界

超声施振深度和冷却方式对纯铝凝固组织的影响

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北京理工大学学报 2008年第4期28卷 290-293页

作者：李晓谦蒋日鹏张立华胡仕成刘荣光中南大学机电工程学院湖南长沙410083

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... 详细信息

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.

关键词：施振深度冷却方式晶粒尺寸空化效应声流效应

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SCN-Cam共晶合金的定向凝固研究

功能材料 2011年第2期42卷 252-255页

作者：段萌萌陈长乐西北工业大学理学院陕西省凝聚态结构与性质重点实验室陕西西安710072

采用实时观测装置和定向凝固系统研究了SCN-Cam(Succinonitrile-wt% Camphor,wt%为质量分数)模型合金的凝固过程。实验结果表明,SCN-23.6%Cam共晶合金在常规条件下形成规则的共晶组织,共晶间距随界面推移速度的增大而减小;加入超声振动... 详细信息

采用实时观测装置和定向凝固系统研究了SCN-Cam(Succinonitrile-wt% Camphor,wt%为质量分数)模型合金的凝固过程。实验结果表明,SCN-23.6%Cam共晶合金在常规条件下形成规则的共晶组织,共晶间距随界面推移速度的增大而减小;加入超声振动时,共晶合金生长出初生相;SCN-21% Cam亚共晶合金在超声条件下凝固时界面上形成无初生相的共晶组织;改变超声功率,SCN-21% Cam合金所形成的共晶间距随着超声功率的增大而逐渐增大。

关键词：共晶定向凝固超声振动声流效应

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超声波对铝合金熔体的有效细化区域

材料科学与工艺 2010年第2期18卷 149-153页

作者：谢恩华李晓谦中南大学机电工程学院现代复杂装备设计与极端制造教育部重点实验室长沙410083

为了探讨凝固组织的超声细化区域范围,在液相线温度至575℃区间内对铝合金熔体施加超声振动,待铸锭冷却至室温,经腐蚀处理后观察其宏观和微观组织.试验结果表明,在工具杆端面位置处靠近铸锭边缘有一明显的作用区域分界线,分界线两端组... 详细信息

为了探讨凝固组织的超声细化区域范围,在液相线温度至575℃区间内对铝合金熔体施加超声振动,待铸锭冷却至室温,经腐蚀处理后观察其宏观和微观组织.试验结果表明,在工具杆端面位置处靠近铸锭边缘有一明显的作用区域分界线,分界线两端组织呈现截然不同的特征,端面以下组织均得到了有效的细化,而端面以上组织晶粒粗大,呈枝晶状分布.超声在熔体中产生空化和声流效应,理论计算表明,熔体中的有效空化范围为端面下30mm区域内,超声在熔体中产生的声流效应遍及整个熔体可流动区域,通过声流和空化的双重作用,工具杆端面以下的组织均受到超声的作用,并得到细化.

关键词：功率超声声压分布空化范围声流效应凝固组织有效作用区域