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基于超声RF信号熵分析的声空化时空监测方法

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物理学报 2022年第17期71卷 227-236页

作者：宋人杰袁紫燕张琪于洁薛洪惠屠娟章东南京大学物理学院近代声学教育部重点实验室南京210093 中国科学院苏州生物医学工程技术研究所苏州215163 江苏省中医院南京210029 中国科学院声学研究所声场声信息国家重点实验室北京100190

高强度聚焦超声(HIFU)治疗过程中剧烈的空化效应可能损伤靶区周围健康组织,因此,亟需开发可对生物组织内部声空化效应进行高精度时空定量监测的新型技术手段,方能确保临床安全和有效.相对于传统的商用超声灰度值信号,超声射频(RF)信号... 详细信息

高强度聚焦超声(HIFU)治疗过程中剧烈的空化效应可能损伤靶区周围健康组织,因此,亟需开发可对生物组织内部声空化效应进行高精度时空定量监测的新型技术手段,方能确保临床安全和有效.相对于传统的商用超声灰度值信号,超声射频(RF)信号可以更好地保留声波散射信号更多的细节信息.而信息熵作为非基于数学函数模型的统计参数,可以表征由声空化效应引发的组织内部散射体无序度演变状态.因此,本文提出了一种基于超声RF信号熵分析的声空化实时监测成像系统,在此基础上实时评估HIFU引发的超声空化区域时空演化行为.首先,通过改制后的B超系统获取凝胶生物仿体内部由HIFU引发的空化泡群产生的散射回波原始RF信号,利用二维均值滤波方法抑制HIFU强声束对声空化监测成像回波信号的干扰后,通过数据标准化处理扩展RF信号的动态变化范围,再基于滑动窗信息熵分析重建熵值图像,经过二值化处理后即可实现对HIFU作用下组织内部声空化区域的时空监测.实验结果表明,相比于传统B超灰度成像法,基于RF信号熵分析的声空化监测成像算法可以更灵敏且精确地确定空化发生的起始时间和空间位置,有助于更好地保障HIFU临床治疗的安全性和有效性.本文的工作为HIFU治疗过程中组织内部声空化区域的时空监测提供一种具有极大应用前景的技术手段,为声空化生物效应量-效评估体系的建立奠定了良好的理论和实验基础.

关键词：空化效应高强度聚焦超声超声射频信号信息熵

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

空化效应对高强度聚焦超声产生的组织损伤的影响

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数据采集与处理 2018年第4期33卷 611-619页

作者：于洁屠娟章东江苏省中医院信息工程部南京210029 南京大学声学研究所南京210093

高强度聚焦超声(High intensity focused ultrasound,HIFU)已在临床治疗肿瘤领域展示了较好的应用前景,但目前的治疗计划中未考虑空化效应的影响。本文通过离体实验研究了空化效应对HIFU治疗中组织损伤形成的影响。首先采用KZK非线性方... 详细信息

高强度聚焦超声(High intensity focused ultrasound,HIFU)已在临床治疗肿瘤领域展示了较好的应用前景,但目前的治疗计划中未考虑空化效应的影响。本文通过离体实验研究了空化效应对HIFU治疗中组织损伤形成的影响。首先采用KZK非线性方程和Pennes生物传热模型,在理论上模拟了不同超声激励参数的HIFU热效应产生的组织损伤。然后在实验中改变脉冲长度和声压,比较了实验和理论上产生的损伤形成。最后采用B型成像系统定量监测产生的声空化,从而定量分析空化效应对损伤形成的影响,为HIFU治疗策略的设计提供更好的指导。

关键词：空化效应高强度聚焦超声组织损伤

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

耦合空化效应的超声滚压系统流场结构优化设计

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表面技术 2022年第3期51卷 186-191,198页

作者：郭永磊郑建新朱立新商映举邓瀚林河南理工大学机械与动力工程学院河南焦作454003

目的实现耦合空化效应的超声滚压系统流场结构的优化,提升超声滚压加工质量。方法首先,利用Fluent流场仿真软件模拟超声滚压加工流场空化情况,获取滚珠周边3个关键位置的气含率。其次,采用最优拉丁超立方方法进行实验设计,并以流场结... 详细信息

目的实现耦合空化效应的超声滚压系统流场结构的优化,提升超声滚压加工质量。方法首先,利用Fluent流场仿真软件模拟超声滚压加工流场空化情况,获取滚珠周边3个关键位置的气含率。其次,采用最优拉丁超立方方法进行实验设计,并以流场结构参数为优化变量,以3个关键位置气含率为优化目标,基于二阶响应面法建立气含率近似模型。然后,综合运用AHP和熵权法确定各个气含率的权重值,采用遗传算法NSGA-II对近似模型进行优化求解来获取最优流场结构参数。最后,对优化结构与初始结构下获得的气含率进行对比,验证优化结果。结果基于20组最优拉丁超立方试验结果所构建的二阶响应面近似模型拟合度较好,3个关键位置气含率均在95%置信水平上均通过显著性检验。综合分析后,3个优化目标的权重分别为0.2791、0.2516和0.4692,获得的优化结构的3个关键位置气含率相较于初始结构分别提升了21.6%、156.4%、44.1%,效果明显。结论优化后的流场结构可以应用在超声滚压加工系统中以提升加工过程中的空化效应。

关键词：超声滚压空化效应气含率结构优化

空化效应下高压差多层套筒调节阀降压流动特性与磨损规律研究

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空化效应下高压差多层套筒调节阀降压流动特性与磨损规律研究

作者：唐柯萌浙江理工大学

学位级别：硕士

多层套筒调节阀作为核电与煤化工中高参数特种调节阀的典型代表,其应用工况多变、结构复杂。高温、高压、高流速、含固体颗粒等严苛工况对调节阀的性能提出了新的要求,严重影响了设备的使用寿命,对安全生产提出了重大挑战。明确空化效... 详细信息

多层套筒调节阀作为核电与煤化工中高参数特种调节阀的典型代表,其应用工况多变、结构复杂。高温、高压、高流速、含固体颗粒等严苛工况对调节阀的性能提出了新的要求,严重影响了设备的使用寿命,对安全生产提出了重大挑战。明确空化效应下多层套筒调节阀内的降压流动特性与磨损规律,在一定程度上可以缓解上述问题,有助于完善严苛工况特种阀门的设计理论体系。本文针对核电主给水和煤直接液化系统中新型高压差多层套筒调节阀为研究对象,开展空化效应下调节阀降压流动特性与磨损规律研究:分析了工况与结构参数对核电主给水调节阀降压流动特性与空化效应的影响;明确了工况和颗粒属性与煤液化液控调节阀降压流动特性、磨损规律和空化效应之间的关系;根据数值模拟结果提出了预防空化和磨损的建议,主要研究内容及结论包括五个方面:(1)针对两种典型应用情景下多层套筒调节阀的使用工艺,构建了空化效应下调节阀降压流动特性及磨损规律的综合数学模型,预测了两种工况下调节阀的失效机理。自主搭建了一套多层套筒调节阀降压流动特性实验装置并开展了相应实验,不同实验工况下测量的结果与数值模拟的调节阀内流体的降压规律吻合。(2)分析了不同开度和进出口压差对核电主给水调节阀内降压流动特性和空化的影响。当调节阀保持全开状态时,各级套筒内流体速度保持在约82 m/s且每层套筒提供2-3.5 MPa的压降,具有最理想的降压效果。调节阀内存在三处空化位置:第四层节流孔流道的第三级套筒内壁面处、阀座节流孔流道处和调节阀出口流道的拐角处。(3)探究了核电主给水调节阀的多层套筒结构参数和外部压力特征对多层套筒调节阀内空化的影响。采用套筒直径逐级递增方法、适当减少第三层套筒厚度、适当减小阀座流道小孔孔径和提升调节阀出口压力至0.7 MPa及以上均可在一定程度上抑制空化效应,从而预防空化失效。(4)开展了空化效应下煤液化液控调节阀内降压流动特性与磨损规律的数值模拟研究。磨损严重的位置主要出现在靠近套筒小孔流道的四周,调节阀大开度运行下,各级套筒内流体压力、速度和湍动能变化均匀。调节阀最大磨损率随颗粒直径的增加出现先增大后减小趋势,颗粒质量流量的增加会导致阀内最大磨损率先增大后减小,开度的变化导致阀内最大磨损率交替出现在不同内壁面。(5)颗粒质量流量的增大与开度减小会导致阀内蒸汽相体积的减少,阀座处减小幅度超过20%,第三级套筒内壁面蒸汽相减小幅度超过6%,颗粒大小变化对阀内空化几乎没有影响。为了有效防止阀门的空化和磨损失效,建议阀门减少小开度运行的时间,尽量维持大开度运行。本文的创新工作在于:分析了套筒流道直径、套筒厚度和阀座处小孔流道直径对核电主给水调节阀内空化效应的影响机制,奠定了调节阀结构设计优化的理论基础;明确了阀内颗粒固有属性和调节阀开度对阀内空化效应与磨损规律的影响情况,提出了基于预防空化效应的调节阀的使用建议。

关键词：多相流多层套筒调节阀降压流动特性空化效应磨损规律

同方学位论文库评论

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湍流效应对空化流场及密封性能的影响

润滑与密封 2023年第3期48卷 103-112页

作者：梁彦兵李香郑国运李鲲吴兆山姚黎明丁雪兴合肥通用机械研究院有限公司安徽合肥230031 兰州理工大学石油化工学院甘肃兰州730050

针对端面螺旋槽液膜密封空化效应及稳态密封性能,基于k-ω湍流模型及Schnerr-Sauer空化模型采用专业流场仿真软件对机械密封端面螺旋槽液膜进行流场模拟研究,对比分析层流和湍流2种流态下不同螺旋槽几何参数和操作参数对密封稳态性能以... 详细信息

针对端面螺旋槽液膜密封空化效应及稳态密封性能,基于k-ω湍流模型及Schnerr-Sauer空化模型采用专业流场仿真软件对机械密封端面螺旋槽液膜进行流场模拟研究,对比分析层流和湍流2种流态下不同螺旋槽几何参数和操作参数对密封稳态性能以及空化区域面积的影响。研究结果表明:端面螺旋槽液膜密封在湍流状态下的开启力、泄漏率以及空化面积比均大于层流模型下的值,且随着几何参数和工况参数的变化,层流效应和湍流效应对密封开启力、泄漏率以及空化面积比的影响规律基本相似;在不同条件下,螺旋槽外径侧更容易产生空化效应,且湍流效应下的空化区域明显大于层流效应下的值。研究表明在端面螺旋槽液膜密封中,湍流效应和空化效应对密封稳态性能的影响不可忽略。

关键词：机械密封湍流空化效应螺旋槽密封性能

超声波技术在膳食纤维提取及改性中的应用研究进展

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食品与发酵工业 2023年第11期49卷 330-336页

作者：廖雪勤张甫生杨金来吴良如郑炯西南大学食品科学学院重庆400715 食品科学与工程国家级实验教学示范中心(西南大学) 重庆400715 国家林业和草原局竹子研究开发中心浙江杭州310012

膳食纤维具有良好的营养价值和生理功能,植物源食品及其加工副产物中含有大量天然膳食纤维,但存在天然膳食纤维提取率较低,提取的膳食纤维持水力和溶解性差,口感不佳等问题。因此,如何制备得到高品质膳食纤维成为目前膳食纤维研究领域... 详细信息

膳食纤维具有良好的营养价值和生理功能,植物源食品及其加工副产物中含有大量天然膳食纤维,但存在天然膳食纤维提取率较低,提取的膳食纤维持水力和溶解性差,口感不佳等问题。因此,如何制备得到高品质膳食纤维成为目前膳食纤维研究领域的热点问题。其中,超声技术具有提取效率高、提取条件温和、改性效果优良、环境友好、能耗较低等优点,使其成为在膳食纤维提取和改性中最有应用前景的技术之一。文章综述了近年来使用超声技术对膳食纤维进行提取和改性的研究现状,概述超声作用特点和工作原理,分析其对膳食纤维进行提取和改性的作用效果,并阐明超声在提取和改性中的工作机制和影响因素,最后对存在问题进行了总结并展望了超声技术的发展前景,以期为膳食纤维资源的高值化利用提供理论参考。

关键词：超声波技术膳食纤维空化效应持水力持油力

滑动摩擦副表面非对称微织构空化效应数值分析

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摩擦学学报 2023年

作者：王保民赵瑞平黄贵林王慧心邬再新兰州理工大学机电工程学院

为探究滑动摩擦副表面非对称微织构空化效应及其影响因素，基于N-S方程建立表面织构化滑动摩擦副数值计算模型并进行求解，讨论了凹槽型非对称微织构的结构参数、运动速度和润滑油黏度对凹槽内的气相分布、空化面积率、油膜承载力、摩... 详细信息

为探究滑动摩擦副表面非对称微织构空化效应及其影响因素，基于N-S方程建立表面织构化滑动摩擦副数值计算模型并进行求解，讨论了凹槽型非对称微织构的结构参数、运动速度和润滑油黏度对凹槽内的气相分布、空化面积率、油膜承载力、摩擦因数等的影响。结果表明：凹槽型非对称微织构的承载力大于对称微织构，而其摩擦因数小于对称微织构；在考虑空化效应时，凹槽型非对称微织构比对称微织构能更显著地改善摩擦学性能，并且非对称微织构凹槽离入口距离越远，空化效应越显著；滑动摩擦副运动速度和润滑油黏度对空化效应有重要影响，运动速度越高、润滑油黏度越大，凹槽型非对称微织构的空化效应越明显，且提升承载力的能力明显优于对称微织构，该研究对滑动摩擦副表面微织构的设计和分析有一定的参考意义。

关键词：滑动摩擦副非对称微织构空化效应工况条件摩擦性能