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超声空化泡溃灭冲击波作用固壁面的实验研究

科学技术与工程 2017年第8期17卷 135-139页

作者：吴书安祝锡晶王建青涂晶洁王慧中北大学机械与动力工程学院太原030051 宁波大红鹰学院宁波315175

对抛光后的6061铝进行超声振动空蚀实验,发现当超声振动头与材料表面的距离低于1 mm左右材料表面会有明显的空蚀效果。通过实验研究空蚀时间和超声振幅对材料表面粗糙度以及硬度的影响,发现:材料表面粗糙度和硬度先随着空蚀时间的增加... 详细信息

对抛光后的6061铝进行超声振动空蚀实验,发现当超声振动头与材料表面的距离低于1 mm左右材料表面会有明显的空蚀效果。通过实验研究空蚀时间和超声振幅对材料表面粗糙度以及硬度的影响,发现:材料表面粗糙度和硬度先随着空蚀时间的增加而增大;在一定时间后出现平缓过渡期,这是由于材料表面波峰被空化泡溃灭冲击波作用后坍塌所致;继续增加空蚀时间,材料表面粗糙度和硬度会缓慢增大;材料表面粗糙度和硬度随着超声振幅的增大先增大后减小,在超声振幅为10.8μm左右达到最大空蚀效果。

关键词：超声振动空化泡冲击波实验研究

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固壁面附近空化泡溃灭过程的数值模拟

浙江工业大学学报 2015年第5期43卷 512-516,591页

作者：王效贵罗冲顾桢标浙江工业大学机械工程学院浙江杭州310014

通过数值模拟研究空化泡与固壁的距离(γ)、空化泡大小和环境围压对单个空化泡溃灭的影响.结果表明:随着空化泡与壁面的间距减小,空化泡的非对称变形越来越明显,从形成射流到最终溃灭的时间不断增加,最大射流速度和溃灭压力都随之减小;... 详细信息

通过数值模拟研究空化泡与固壁的距离(γ)、空化泡大小和环境围压对单个空化泡溃灭的影响.结果表明:随着空化泡与壁面的间距减小,空化泡的非对称变形越来越明显,从形成射流到最终溃灭的时间不断增加,最大射流速度和溃灭压力都随之减小;空化泡大小对射流速度的影响不大,尽管溃灭压力随着空泡半径的增大而相应增大,但变化幅度很小;当环境围压增大,最大射流速度和溃灭压力都大幅度增大,溃灭压力在γ=2.0时的增幅甚至接近一个数量级.

关键词：空化泡溃灭射流速度围压数值模拟

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声空化泡对声传播的屏蔽特性

应用声学 2018年第5期37卷 675-679页

作者：陈伟中南京大学声学研究所近代声学教育部实验室南京210093

该文介绍了声空化液体中声波被反常吸收的现象,即驱动声压越大,吸收越强,远场声压越低。研究给出其物理机理是高声压导致强空化,空化泡吸收驱动能量辐射高次谐波,高频声波更易被液体吸收,最终形成更低的远场声压。为了克服空化屏蔽,改... 详细信息

该文介绍了声空化液体中声波被反常吸收的现象,即驱动声压越大,吸收越强,远场声压越低。研究给出其物理机理是高声压导致强空化,空化泡吸收驱动能量辐射高次谐波,高频声波更易被液体吸收,最终形成更低的远场声压。为了克服空化屏蔽,改善声空化的均匀性,提出了改变工作液体的空化阈值的思路。并就简单的双层液体系统进行了计算和实验,结果证实这种思路的正确性。

关键词：声空化空化泡空化屏蔽空化阈值

超声珩磨区考虑煤油蒸气冷凝与蒸发的空化泡动力学分析

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科学技术与工程 2017年第1期17卷 165-169页

作者：王潞杰祝锡晶王建青吴书安中北大学山西省先进制造重点实验室太原030051

为了更深入地探究超声珩磨区空化泡的动力学特性,以煤油为磨削液介质,考虑煤油蒸气的冷凝与蒸发建立了功率超声珩磨下的单空化泡动力学模型。利用4阶龙格库塔法对不同工作条件(珩磨压力、珩磨头回转速度和往复速度、磨削液黏性、超声频... 详细信息

为了更深入地探究超声珩磨区空化泡的动力学特性,以煤油为磨削液介质,考虑煤油蒸气的冷凝与蒸发建立了功率超声珩磨下的单空化泡动力学模型。利用4阶龙格库塔法对不同工作条件(珩磨压力、珩磨头回转速度和往复速度、磨削液黏性、超声频率)下的空化泡泡壁运动规律进行了数值模拟与分析。研究表明:较高的珩磨压力、珩磨液黏性以及超声频率会抑制珩磨区空化效应的产生,而珩磨头回转速度与往复速度的变化对空化效果影响极其有限。

关键词：超声珩磨空化泡煤油蒸气蒸发冷凝动力学

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两壁面夹角间空化泡动力学的理论和实验研究

两壁面夹角间空化泡动力学的理论和实验研究

作者：孙卓华北电力大学(北京)

学位级别：硕士

空化现象广泛存在于工程流体领域,空化泡溃灭时的剧烈特性在流体机械或部件中极易造成材料损伤。空化泡在医疗领域的应用也越来越多,而在生物血管等微尺度环境中,空化泡常会呈圆柱形发展溃灭。为了在生产生活中更科学地利用空化、规避损... 详细信息

空化现象广泛存在于工程流体领域,空化泡溃灭时的剧烈特性在流体机械或部件中极易造成材料损伤。空化泡在医疗领域的应用也越来越多,而在生物血管等微尺度环境中,空化泡常会呈圆柱形发展溃灭。为了在生产生活中更科学地利用空化、规避损伤,深入探索复杂边界附近空化泡动力学特征规律及其理论机理是十分必要的。本文依托开尔文冲量理论和高速摄影实验系统,对两个刚性壁面构成的90度、60度、45度夹角间空化泡的动力学特征进行较系统的理论与实验研究。此外,以开尔文冲量理论为基础对两壁面夹角间柱形泡的动力学特征进行了理论研究。首先,对开尔文冲量理论公式进行了系统、完整的推导与梳理,结合经典的Rayleigh泡动力学模型,对空化泡开尔文冲量通用计算公式进行了简化处理。借助镜像法推导整理了两壁面夹角间空化泡无量纲开尔文冲量计算公式。计算并分析了两壁面夹角间空化泡开尔文冲量大小和方向随空化泡位置的变化规律。其次,通过高速摄影实验对两壁面夹角间空化泡动力学特征进行了细致的定性及定量分析。结果表明,空化泡距离壁面夹角顶点越近、越偏离夹角对称位置,溃灭阶段空化泡的形变程度、两个泡壁特征点间的速度差值、形心移动速度、溃灭时间均越大。同时,理论计算所得的空化泡开尔文冲量方向与实验测得的射流方向基本一致,开尔文冲量大小随空化泡位置的变化趋势也与上述泡动力学特征一致。最后,基于柱形泡理想假设模型,结合保角变换数学方法,推导出了两壁面夹角间柱形空化泡开尔文冲量计算公式。计算与分析结果表明,柱形泡开尔文冲量随位置变化的趋势与球形泡类似,但变化快慢有较大差异,从公式角度可解释这种差异的原因。

关键词：空化泡开尔文冲量壁面夹角射流柱形泡

超声波作用下空化泡和悬浮粒子间的微流分布及相互作用

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超声波作用下空化泡和悬浮粒子间的微流分布及相互作用

作者：武耀蓉陕西师范大学

学位级别：硕士

高强度的超声波作用于液体引起的空化效应称为超声空化。超声波的应用范围较广,如微泡造影技术、超声清洗、超声提取以及高强度超声治疗技术等。多气泡动力学的研究是空化效应研究的基础。超声波在液体中的应用范围很广,与超声波应用相... 详细信息

高强度的超声波作用于液体引起的空化效应称为超声空化。超声波的应用范围较广,如微泡造影技术、超声清洗、超声提取以及高强度超声治疗技术等。多气泡动力学的研究是空化效应研究的基础。超声波在液体中的应用范围很广,与超声波应用相关的传声介质通常是复杂介质,如液体和微粒杂质(或颗粒、膜状包覆物等)的混合体、不同种类液体的混合体,同时,液体内还可能存在气泡等。空化泡和悬浮粒子间的相互作用对于侵蚀研究及医学应用等具有重要的意义。前人已经发展了较为成熟的单气泡动力学理论,但是对气泡和悬浮粒子间的相互作用以及它们周围微流分布的理论研究还相对落后,大多数都是实验探究。基于此,本文对平面波入射时水中空化泡和悬浮粒子间的微流分布及相互作用进行了分析和研究,重点对平面波为入射波时水中空化泡和悬浮粒子周围的微流分布以及空化泡和悬浮粒子间的相互作用进行了理论推导和数值仿真,主要包含以下几个方面的内容:1.基于声波动理论,推导并给出了平面波入射时,水中非刚性球和刚性球的散射声波表达式,为进一步研究空化泡和悬浮粒子周围的微流分布奠定了基础。2.利用平面声波散射理论,推导并给出了平面波入射时水中空化泡和悬浮粒子周围声流的表达式。研究了不同的间隙距离,气泡半径以及介质质点相对于悬浮粒子壁面和泡壁位置不同时气泡和悬浮粒子周围声流速度的径向和切向分量的分布规律。研究结果表明气泡和悬浮粒子周围声流速度矢量与介质质点相对于泡壁和悬浮粒子壁面的位置密切相关。随着气泡半径的增加,悬浮粒子周围微流速度增强,但是当气泡和悬浮粒子间间隙的距离增加时,悬浮粒子周围声流速度变弱。3.利用拉格朗日力学以及空化泡和悬浮粒子速度势的多极展开,推导了平面波入射时水中空化泡和悬浮粒子的耦合运动方程。研究了悬浮粒子的密度、空化泡和悬浮粒子的尺寸、超声波驱动频率以及声压对空化泡和悬浮粒子间相互作用的影响。研究结果表明,空化泡和轻粒子(ρs/ρl =0.5)间相互排斥,而空化泡和重粒子(ρs/ρl=1.5)以及中性粒子(ρs/ρl=1)间相互吸引。空化泡和悬浮粒子间的相互作用随着空化泡和悬浮粒子的尺寸以及驱动频率和声压的变化而变化。

关键词：微流分布相互作用空化泡悬浮粒子平面波

窄间隙内液态金属中声空化泡动力学行为及其效应研究

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窄间隙内液态金属中声空化泡动力学行为及其效应研究

作者：陈姝哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

超声波辅助钎焊方法可以缩短焊接时间,降低焊接温度,提高钎料在母材表面的润湿和铺展速度,以及控制金属间化合物的生成和分布,在大气环境下实现难焊接材料的连接,已经广泛应用于陶瓷、复合材料和异种材料之间的连接。该种焊接方法主要... 详细信息

超声波辅助钎焊方法可以缩短焊接时间,降低焊接温度,提高钎料在母材表面的润湿和铺展速度,以及控制金属间化合物的生成和分布,在大气环境下实现难焊接材料的连接,已经广泛应用于陶瓷、复合材料和异种材料之间的连接。该种焊接方法主要借助于超声波激励作用下产生的空化现象及其效应。在超声波钎焊的过程中,超声能量传入小体积的液态钎料中,并在钎料中出现声压的波动,当声压大于空化阈值的时候,空化泡就会经历从产生到崩溃以及回复的过程,在空化泡周围的流体中产生高压、冲击波等现象,对材料表面产生空蚀效应,从而加速焊接的进程。本文从薄层液态金属中声压的模拟开始,然后计算和观察空化泡的动力学行为特征,研究了不同工艺参数下,空化力的分布状况。超声能量由母材经过固液界面传到液态金属中,液态金属中产生正负交替的声压变化,声压和时间曲线满足类正弦的特征,声压幅值很大,可以达到107Pa,相比于声压幅值,声压曲线的偏移量很小,我们忽略。液层中的声压并不是均匀的,窄间隙中声压的等值面大致平行于YZ平面,而在自由表面的液态金属中,声压等值面平行于XY平面。液体中初始半径很小的气泡,在声压的激励作用下,经历生长、变小和崩溃的过程,有的空化泡在崩溃之后还能发生回复,空化泡的生长和变小过程与声压的正负交替周期密切相关,在负压区间长大,正压区间缩小,空化泡的半径变化速度很大,平均可以高达几十米每秒,同一工艺参数下,减小速度大于生长速度。瞬态变化的空化泡在崩溃的过程中,快速改变周围流体区域的压强,瞬时压强可以快速减小107 Pa以上;空化泡长大的过程中,泡壁周围的流体向外流动,对壁面的作用可近似为水锤现象;当空化泡运动的速度大于流体中的声速的时候,还会产生冲击波。因此空化泡对附近的固体表面会产生空蚀效应,空蚀作用的反复叠加,造成固体表面形态不一的空蚀坑。

关键词：超声波钎焊声压空化泡空化力

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双超声激励空化泡动力学耦合因素研究

应用声学 2016年第4期35卷 364-368页

作者：杨日福张凡耿琳琳华南理工大学物理与光电学院广州510640

研究双超声各因素对空化气泡动力学影响,找出最佳的耦合效果。对Rayleigh-Plesset方程模型进行修改,并利用MATLAB提供的Runge-Kutta算法进行数值求解,考察频率、相位差,声强的不同耦合对双超声激励空化泡动力学过程的影响。结果表明:在... 详细信息

研究双超声各因素对空化气泡动力学影响,找出最佳的耦合效果。对Rayleigh-Plesset方程模型进行修改,并利用MATLAB提供的Runge-Kutta算法进行数值求解,考察频率、相位差,声强的不同耦合对双超声激励空化泡动力学过程的影响。结果表明:在其他条件相同的情况下,双超声与单超声相比,空化泡运动过程中的最大半径较大,空化泡半径收缩的变化率也较大,同时可知,采用相同频率低频超声组合的空化强度最强;保持双超声初相位相同,避免两者反相,以及超声声强组合平均分配等,有利于提高空化效果。当采用不同频率组合激励时,要根据实验条件选择合适的双超声频率组合、相位差和声强的分配,才能起到协同强化作用。

关键词：双超声空化泡动力学模型数值模拟耦合因素

功率超声珩磨磨削区单个空化泡动力特性的研究

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机床与液压 2013年第11期41卷 10-13页

作者：郭策祝锡晶刘国东王建青中北大学山西省先进制造技术重点实验室山西太原030051

空化效应是功率超声珩磨磨削区常见的物理现象,能够大幅提高超声珩磨的加工效率。建立了功率超声珩磨磨削区空化泡的动力学模型,采用4-5阶的Runge-Kutta方法,分析了空化泡的初始半径、超声频率、声压幅值、珩磨压力、珩磨头的回转速度... 详细信息

空化效应是功率超声珩磨磨削区常见的物理现象,能够大幅提高超声珩磨的加工效率。建立了功率超声珩磨磨削区空化泡的动力学模型,采用4-5阶的Runge-Kutta方法,分析了空化泡的初始半径、超声频率、声压幅值、珩磨压力、珩磨头的回转速度对空化泡运动特性的影响。结果表明:超声波声压幅值与珩磨头的回转速度对磨削区空化泡运动特性影响较大,为进一步研究功率超声珩磨磨削区的空化效应提供了理论支持。

关键词：空化泡功率超声珩磨数值模拟