得到了着名的RayleighPlesset方程.ppt

题目：超声场的模拟和测量  指导教师：刘丽艳 汇报人：杨洋 课题背景 研究内容 研究方法 进度安排 近几十年来，超声被广泛应用到清洗、医疗、声化学、检测、污水处理等诸多领域当中。而掌握声场分布状况则对超声在清洗、声化学以及污水处理等领域中的有效应用有着至关重要的作用。但是由于空化效应的存在，使得对其的研究变得十分困难。 一、课题背景 国内外研究现状 理论分析 数值模拟 实验测量 超声波的声场的分布主要可通过理论分析、数值模拟和实验测量三种途径来表征。 理论分析：空泡动力学模型—Rayleigh- Plesset方程 对于静止的单个球形气泡，在忽略水中气体扩散的情况下，其平衡条件为： Rayleigh最早在 1917年给出了不可压缩理想流体的气泡运动方程 (Rayleigh方程): 国内外研究现状 Plesset在Rayleigh方程中增加粘性和表面张力项，得到了著名的Rayleigh—Plesset方程: 国内外研究现状 泡壁运动加速度 泡壁运动速度 运动粘度 表面张力 它们给出了气泡半径与压强、粘度、表面张力等因素之间的关系，求解声波方程和气泡动力学方程就可以得到空化场的情况，但常常无法用于研究复杂的、以非线性为主的空化现象。 数值模拟： 国内外研究现状 两相流体模型模拟法 阻尼超声波传播法 两步计算法 先计算流体在声场作用下空化泡的出现，然后计算由声波扩散引起的气泡空间时间相互作用过程 首先计算无空化效应的稳态线性压力场分布，然后考虑空化作用对声场分布的影响 将气泡运动在流体中产生的阻尼作用计入波动方程，应用时域有限差分法、边界元法模拟计算超声反应器内的声场分布 数值模拟 主要采用商业有限元软件如ANSYS、FLUENT、MATLAB、Femlab，ATILA以及声学软件SYSNOISE等进行模拟。 国内外研究现状 实验测量： 国内外研究现状 测量方法 定量性 稳定性 实时性 设备成本 操作难易 力学效应测量法 辐射力法 中 好 好 中 中 水听器法 中 好 好 中 易 光纤探测法 好 差 好 高 难 铝箔腐蚀法 差 差 好 低 易 热学效应测量法 晶体显色法 差 差 差 高 难 热敏探头法 中 差 中 中 中 化学效应测量法 染色法 差 好 差 低 易 碘释放法 差 差 好 低 中 光学效应测量法 声致发光成像法 差 差 差 中 中 TA法 差 中 差 中 中 Step 1 基于ANSYS workbench对超声反应器中的声场情况进行三维的双向流固耦合数值模拟； Step 2 研究湍流模型、壁面函数等模拟参数对结果的影响，确定最佳的模拟方法； Step 3 进一步模拟研究换能器频率、输入功率、液体粘度、表面张力、温度、不可压缩气体质量分数、液位等参数对空化场分布的影响 数值模拟 二、研究内容 Step 2 Step 3 Step 1 利用水听器，首先测量槽中一点处声压的时域变化情况，并研究不同频率、功率下声压信号的随时间的变化特点 改变水听器的位置，测量不同位置处的声压，并利用MATLAB将测量结果可视化，从而得到槽中整体声场的分布情况； 进一步研究频率、功率、温度、液位等参数对声场分布的影响。 实验测量 研究内容 三、研究方法 问题描述 项目 详情 仪器尺寸 208X192X210(mm) 清洗槽内尺寸 150X140X100(mm) 液位高度 80mm 超声频率 40kHz 清洗槽材质 不锈钢 内槽壁厚 2mm 超声功率 100W 功率可调范围 40%-99% 换能器个数 1 换能器位置 清洗槽底部正中 模拟思路： 双向流固耦合的实现 空化作用的考虑 将换能器的输入转化为作用在槽底部一圆形区域的随时间正弦变化的位移/压力边界条件，槽底的振动引起槽内流体压力变化，同时流场变化又反过来作用于槽的结构，结构部分用Transient Structual分析，流体用CFX计算，利用ANSYS workbench 实现二者之间的双向耦合计算。 考虑到空化泡的存在，槽内的空化场实际是液态水和空化气泡的两相流动问题，所以本文以多相流模型中的混合物模型（Mixture Model）为基础，并结合空化模型来对槽内的空化场进行模拟。 模拟方法 模型建立： 模拟方法 网格