吳文華 翟薇? 胡海豹 魏炳波

1)(西北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院,西安 710072)

2)(西北工業(yè)大學(xué)航海學(xué)院,西安 710072)

液體材料超聲處理過(guò)程中聲場(chǎng)和流場(chǎng)的分布規(guī)律研究?

吳文華1)翟薇1)?胡海豹2)魏炳波1)

1)(西北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院,西安 710072)

2)(西北工業(yè)大學(xué)航海學(xué)院,西安 710072)

針對(duì)合金熔體等液體材料的超聲處理過(guò)程,選取水作為透明模型材料,采用數(shù)值模擬計(jì)算和示蹤粒子實(shí)驗(yàn)方法,研究了20和490 kHz兩種頻率超聲作用下水中的聲場(chǎng)和流場(chǎng)分布.結(jié)果表明,增大變幅桿半徑能夠提高水中聲壓水平,擴(kuò)大空化效應(yīng)的發(fā)生區(qū)域.當(dāng)超聲頻率為20 kHz時(shí),水中聲壓最大值出現(xiàn)在超聲變幅桿下端面處,且聲壓沿傳播距離的增大而顯著減小.如果超聲頻率增加至490 kHz,水中的聲壓級(jí)相比于20 kHz時(shí)明顯提高,且聲壓沿著超聲傳播方向呈現(xiàn)出周期性振蕩特征.兩種頻率超聲作用下水中的流場(chǎng)呈現(xiàn)相似的分布特征,且平均流速均隨著變幅桿半徑增大表現(xiàn)出先升高后降低的趨勢(shì).變幅桿半徑相同時(shí),20 kHz頻率超聲作用下水中的平均流速高于490 kHz頻率超聲.采用示蹤粒子圖像測(cè)速技術(shù)實(shí)時(shí)觀察和測(cè)定了水中的流速分布,發(fā)現(xiàn)其與計(jì)算結(jié)果基本一致.

超聲,聲場(chǎng),流場(chǎng),空化效應(yīng)

1 引 言

在金屬熔體凝固的過(guò)程中施加功率超聲能調(diào)控金屬的結(jié)晶過(guò)程、細(xì)化凝固組織,在材料制備領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用［1?8］.這是由于超聲波在液體中傳播時(shí)能夠產(chǎn)生空化、聲流等非線性效應(yīng),從而改善材料內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)并優(yōu)化其性能［9?14］.所謂空化效應(yīng),是指當(dāng)水中的聲壓超過(guò)某一臨界值時(shí),其中振蕩的氣泡會(huì)發(fā)生破滅和崩塌,從而形成局部瞬時(shí)的高溫高壓,顯著改變液相中的熱力學(xué)狀態(tài).而聲流是由于聲壓梯度的存在而在液體內(nèi)部形成的整體性環(huán)流,能夠大大加速與相變過(guò)程相關(guān)的傳熱和傳質(zhì)速度.由此可見(jiàn),液相內(nèi)部的聲壓分布、發(fā)生空化效應(yīng)的體積以及聲流形態(tài)和流速大小是衡量超聲波對(duì)液相作用效果的主導(dǎo)因素.

從超聲施振的方式而言,通常采用將超聲變幅桿直接插入液相中一定深度進(jìn)行施振.在這種情況下,超聲頻率、功率、變幅桿半徑和液體種類(lèi)等參數(shù)都能夠改變液相中的聲場(chǎng)和流場(chǎng)分布特征［15］,成為影響超聲對(duì)液相作用效果的重要參數(shù).如果只是進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,限于實(shí)驗(yàn)裝置和條件,研究者通常只能改變單一或少數(shù)參量,而無(wú)法全面考察各種實(shí)驗(yàn)參量對(duì)聲場(chǎng)和流場(chǎng)分布的作用規(guī)律.因此,建立超聲波在液相中傳播的聲場(chǎng)和流場(chǎng)理論模型,研究各種參數(shù)對(duì)超聲作用效果的影響,就成為亟待解決的科學(xué)問(wèn)題.目前,國(guó)際上已經(jīng)有一些相關(guān)的研究報(bào)道.如Trujillo和Kai［16］研究了超聲頻率為20 kHz時(shí)水中的流速分布;Kojima等［17］測(cè)量了490 kHz超聲作用下水中的聲壓和流速分布.然而,不同超聲頻率和變幅桿半徑作用下的聲場(chǎng)和流場(chǎng)變化特征尚不明確.通過(guò)構(gòu)建理論模型,能夠總結(jié)出這些參量對(duì)聲場(chǎng)和流場(chǎng)分布的作用規(guī)律,為揭示超聲波在合金凝固過(guò)程中的傳播規(guī)律奠定基礎(chǔ).

由于水和熔融鋁的相關(guān)流體性質(zhì)類(lèi)似,如室溫下水的動(dòng)力黏度和熔融鋁的動(dòng)力黏度是一個(gè)量級(jí),且二者的聲譜在整個(gè)寬帶頻譜上分布類(lèi)似,可以認(rèn)為水和熔融鋁在超聲處理下具有相似的行為［18］.另外,合金熔體中的流場(chǎng)無(wú)法直接觀察,而水作為透明液體,可以用示蹤粒子圖像測(cè)速技術(shù)直接測(cè)量出超聲作用下水中的流場(chǎng),與構(gòu)建的模型進(jìn)行比較,以此來(lái)驗(yàn)證模型的正確性,從而可以將模型推廣到合金熔體中去.因此,本文選取水為透明模型材料,建立了超聲波在液態(tài)水中傳播的聲場(chǎng)和流場(chǎng)理論模型,數(shù)值計(jì)算了水中聲壓級(jí)和流速分布,研究了超聲頻率和變幅桿半徑對(duì)聲場(chǎng)分布、空化體積、流場(chǎng)形態(tài)和流速的改變規(guī)律.同時(shí),采用粒子圖像測(cè)速技術(shù)實(shí)時(shí)觀察了水中的流線分布,并通過(guò)對(duì)流速的精確測(cè)定,驗(yàn)證了計(jì)算結(jié)果的正確性.

圖1 數(shù)值分析模型示意圖 (a)三維幾何模型;(b)聲場(chǎng)邊界條件;(c)流場(chǎng)邊界條件;1,變幅桿;2,水;3,玻璃容器Fig.1.Schematic of numerical model:(a)Three-dimensional geometric model;(b)two-dimensional axisymmetric sound fi eld boundary;(c)two-dimensional axisymmetric flow fi eld boundary;1,horn;2,water;3,glass container.

2 數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)方法

2.1 聲場(chǎng)模擬分析

三維幾何模型如圖1(a)所示,半徑為50 mm、高為100 mm、厚度為10 mm的圓柱體玻璃容器中裝滿液態(tài)水.超聲變幅桿從容器頂面中心插入液面以下30 mm,變幅桿半徑R分別為1,20,40和49 mm.水中的諧波方程為

方程(1)中,p代表聲壓;角頻率定義為ω=2πf,其中f為超聲頻率;ρc和cc分別代表水和石英的復(fù)密度和復(fù)聲速,表示為

復(fù)波數(shù)kc和阻抗Zc可用下式表示:

其中,α是聲吸收系數(shù),c0和ρ0分別表示水中的聲速和水密度.計(jì)算過(guò)程中所用到的物理量數(shù)值如表1所列.

表1 數(shù)值模擬中用到的物理量數(shù)值Table 1.Value of parameter in numerical simulation.

由于該模型關(guān)于中心軸對(duì)稱(chēng),故石英容器中的聲場(chǎng)分布可由中心截面上的聲場(chǎng)旋轉(zhuǎn)一周生成,其幾何邊界條件如圖1(b)所示.在水-空氣和石英-空氣界面上滿足阻抗邊界條件:

其中,Ze=ρece是外部區(qū)域的阻抗(ρe和ce分別代表空氣的密度和空氣中的聲速),n為垂直于壁面的單位矢量.超聲變幅桿的作用等效為施加在液面中心的壓力,初始?jí)簭?qiáng)大小恒定為9.42×105Pa.在水和石英中的初始聲壓均設(shè)置為0 Pa,分別研究20和490 kHz頻率超聲作用下水中的聲場(chǎng)分布.在計(jì)算過(guò)程中,根據(jù)有限元方法,使用三角形網(wǎng)格劃分,將整個(gè)計(jì)算區(qū)域剖分為約10000個(gè)網(wǎng)格,計(jì)算的自由度數(shù)約為20000個(gè).

2.2 流場(chǎng)模擬分析

流場(chǎng)由運(yùn)動(dòng)方程(方程(5))以及連續(xù)性方程(方程(6))得到:

其中,τ表示黏度的壓力張量,I為單位矩陣,u和p分別是流速和液體中的壓力,F表示產(chǎn)生聲流的單位體積上的力.結(jié)合方程(5)和(6),體積力表示為［21］

μ為液體黏度,μb為體積黏性系數(shù),p2和u2是聲壓和流速的二階近似的時(shí)間獨(dú)立量.在不考慮其他外力作用下,產(chǎn)生聲流的體積力僅由聲輻射力提供,此時(shí)體積力即為聲場(chǎng)產(chǎn)生的聲輻射力Fac,表示為［22］

其中,uac是由聲波在液體中傳播產(chǎn)生的振蕩速度,使用駐波近似p≈uacρ0c0［22］,則聲輻射力的大小可以表示為［23］

將通過(guò)聲場(chǎng)模型得到的水中聲壓場(chǎng)導(dǎo)入到方程(9)中,計(jì)算得到聲輻射力.再將聲輻射力導(dǎo)入流場(chǎng)模型中,即可算出容器中的流場(chǎng)分布.

流場(chǎng)邊界條件如圖1(c)所示.與計(jì)算水中聲壓分布的模型相同,只計(jì)算石英容器中心截面上的流場(chǎng)分布.利用有限元計(jì)算方法,整個(gè)計(jì)算區(qū)域包括約100000個(gè)三角形網(wǎng)格,計(jì)算的自由度數(shù)約為260000個(gè).

2.3 流場(chǎng)的實(shí)時(shí)觀測(cè)

如圖2所示,利用粒子圖像測(cè)速技術(shù)測(cè)定了20 kHz超聲作用下純水中的流場(chǎng)分布.在底面半徑為40 mm、高為100 mm、厚度為5 mm的燒杯里裝滿水,將半徑為10 mm的變幅桿插入液面以下30 mm.在水中加入粒徑為20—30μm、密度為1 g/cm3的硼硅酸鹽空心玻璃微珠作為示蹤粒子.激光光源選用功率為7 W的二極管抽運(yùn)固體激光器,激光波長(zhǎng)為532 nm.實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,將激光器、燒杯和超聲變幅桿的中心固定在一條直線上.當(dāng)超聲換能器開(kāi)始作用時(shí),打開(kāi)激光光源,通過(guò)高速攝像機(jī)捕捉到2.5 s曝光時(shí)間內(nèi)示蹤粒子在水中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),然后將數(shù)據(jù)導(dǎo)入PIVlab軟件中,從而測(cè)算出水中的流場(chǎng)分布.

圖2 示蹤粒子圖像測(cè)速實(shí)驗(yàn)示意圖Fig.2.Schematic of particle image velocimetry.

3 研究結(jié)果與分析討論

3.1 聲場(chǎng)分布特征

圖3(a)為20 kHz頻率超聲作用下水中聲壓分布隨變幅桿半徑的變化規(guī)律.可以看出,聲壓沿超聲傳播方向呈衰減趨勢(shì).增大變幅桿半徑能有效提高水中的聲壓水平,但位于變幅桿下端面處的聲壓最大值沒(méi)有發(fā)生改變,均等于初始?jí)簭?qiáng)9.42×105Pa.進(jìn)一步研究了不同半徑的變幅桿作用下水中空化區(qū)域的大小.假設(shè)液體中充滿半徑為r0的氣泡,根據(jù)氣泡內(nèi)外壓力平衡方程以及氣體狀態(tài)方程,超聲作用下液體強(qiáng)度Pt可表示為［24］

其中,Pa為大氣壓,Pv為水的飽和蒸氣壓,σ為水的表面張力系數(shù).設(shè)聲壓振幅為p0,則液體中壓強(qiáng)的幅度為|Pa±p0|,當(dāng)Pa＜p0形成負(fù)壓,這時(shí)空化核在負(fù)壓作用下膨脹;當(dāng)|Pa?p0|≥Pt(注意:Pa?p0＜0)時(shí)形成空化,即超聲空化閾值Pc為

水中氣泡半徑r0設(shè)為1μm,溫度為25°C.將相關(guān)數(shù)據(jù)代入(11)式,通過(guò)計(jì)算可以得到空化聲壓閾值Pc,水中聲壓大于Pc的區(qū)域?yàn)榭栈?yīng)發(fā)生的區(qū)域,即圖3(a)—(d)中黑色虛線上方的區(qū)域.由圖可知,整個(gè)空化區(qū)域近似于圓錐體,且隨著變幅桿半徑的增大,位于變幅桿下端面附近的空化區(qū)域體積增大.

超聲頻率為490 kHz時(shí)不同半徑的變幅桿作用下水中聲壓分布如圖4(a)所示.隨變幅桿半徑的增大,水中的聲壓水平增大.比較了490 kHz和20 kHz頻率超聲作用下水中沿z軸的聲壓分布,如圖5(a)所示.可以看出490 kHz頻率超聲作用下水中聲壓沿超聲傳播方向呈周期性振蕩特征,與超聲頻率為20 kHz時(shí)聲壓沿傳播方向呈衰減趨勢(shì)大不相同.這與超聲的衰減系數(shù)有關(guān),20和490 kHz頻率超聲下的衰減系數(shù)分別為25和1 m?1,衰減系數(shù)越小,超聲在水中越以一種近簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)傳播,從而改變了聲壓在水中的分布.490 kHz頻率超聲作用下水中的最大聲壓均大于初始?jí)簭?qiáng),且聲壓最大值在變幅桿半徑為40 mm時(shí)達(dá)到12 MPa.相應(yīng)地,研究了水中的空化區(qū)域隨變幅桿半徑的變化規(guī)律,如圖4(b)所示.圖中絳紅色區(qū)域表示水中的空化區(qū)域.由圖可知,隨著變幅桿半徑的增大,水中發(fā)生空化效應(yīng)的區(qū)域增大.在變幅桿正下方發(fā)生空化效應(yīng)的區(qū)域呈規(guī)則條紋狀分布,且空化區(qū)域體積明顯大于其他區(qū)域.如當(dāng)變幅桿半徑為40 mm時(shí),變幅桿正下方64.96%的空間為空化區(qū)域,而其他區(qū)域只有26.73%的空間發(fā)生空化效應(yīng).

圖3 (網(wǎng)刊彩色)超聲頻率為20 kHz時(shí)水中的聲場(chǎng)和流場(chǎng)分布 (a)不同半徑變幅桿作用下的聲壓分布;(b)不同半徑變幅桿作用下的流速分布Fig.3.(color online)Sound fi eld and flow fi eld distribution in water under 20 kHz ultrasound:(a)The sound fi eld distribution under the horn with di ff erent radii;(b)the flow fi eld distribution under the horn with di ff erent radii.

圖4 (網(wǎng)刊彩色)超聲頻率為490 kHz時(shí)水中的聲場(chǎng)、空化區(qū)域和流場(chǎng)分布 (a)不同半徑變幅桿作用下的聲壓分布;(b)不同半徑變幅桿作用下的空化區(qū)域分布;(c)不同半徑變幅桿作用下的流速分布Fig.4.(color online)Sound fi eld and flow fi eld distribution in water under 490 kHz ultrasound:(a)The sound fi eld distribution under the horn with di ff erent radii;(b)the cavitation area distribution under the horn with di ff erent radii;(c)the flow fi eld distribution under the horn with di ff erent radii.

比較了20和490 kHz兩種頻率超聲作用下聲壓分布和水中空化體積分?jǐn)?shù)隨變幅桿半徑的變化規(guī)律,如圖5(b)所示,由圖可知,相同變幅桿半徑下,490 kHz頻率超聲作用下水中聲壓水平和空化體積分?jǐn)?shù)均大于20 kHz頻率超聲.當(dāng)變幅桿半徑為1 mm時(shí),兩種頻率超聲作用下水中均不發(fā)生空化效應(yīng).而當(dāng)半徑增至49 mm時(shí),20 kHz頻率超聲作用下水中空化區(qū)域僅占石英容器總體積的15.7%,而490 kHz頻率超聲作用下水中發(fā)生空化效應(yīng)的區(qū)域達(dá)到總體積的66.1%.由方程(11)可知,當(dāng)假設(shè)液體中充滿一定半徑的微氣泡時(shí),空化閾值被確定,聲壓大于空化閾值的區(qū)域都將發(fā)生空化效應(yīng).比較兩種頻率下聲壓分布可知,高頻超聲作用下水中各個(gè)區(qū)域的聲壓水平高于低頻超聲下的聲壓水平,使得高頻超聲比低頻超聲作用下聲壓大于空化閾值的區(qū)域大,因此高頻超聲波的空化體積分?jǐn)?shù)明顯大于低頻的.另外,比較圖5(b)中兩條曲線的斜率可知,隨著變幅桿半徑的增大,高頻超聲下的空化體積分?jǐn)?shù)比低頻超聲下的增長(zhǎng)得快.

3.2 流場(chǎng)分布規(guī)律

超聲頻率為20 kHz時(shí)不同變幅桿半徑下水中的流場(chǎng)分布,如圖3(b)所示.圖中顏色深淺代表流速的大小,箭頭代表流動(dòng)的方向.由圖可知,增大變幅桿半徑會(huì)改變水中的流線分布.當(dāng)變幅桿半徑分別為1,20和49 mm時(shí),均只在石英容器的下方出現(xiàn)兩個(gè)對(duì)稱(chēng)的逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的漩渦(即圖3(b1)—(b4)中的A1和A2點(diǎn)處);而當(dāng)變幅桿半徑為40 mm時(shí),除石英容器下方的漩渦,在靠近液面處(即圖3(b3)中的B1和B2點(diǎn)處)還存在兩個(gè)對(duì)稱(chēng)的逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的漩渦.隨著變幅桿半徑的增大,水中的最大流速先增大后減小,在變幅桿半徑為40 mm時(shí)達(dá)到最大值600 mm/s.

490 kHz頻率超聲作用下水中的流場(chǎng)分布隨變幅桿半徑的變化規(guī)律如圖4(c)所示,流場(chǎng)分布與20 kHz超聲頻率下的流場(chǎng)分布相似.一股射流自變幅桿中心射出,遇到底面后向兩邊發(fā)散.隨著變幅桿半徑的增大,射流半徑增大.另外,在變幅桿半徑為0.04 m時(shí),除石英容器下方(即圖4(c1)—(c4)中的A1和A2點(diǎn)處)的漩渦外,在靠近液面處(即圖4(c3)中的B1和B2點(diǎn)處)還存在兩個(gè)對(duì)稱(chēng)的逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的漩渦.而其他半徑下,僅在A1和A2處存在兩個(gè)漩渦.

兩種頻率超聲作用下水中的平均流速隨變幅桿半徑變化的擬合曲線如圖6(a)所示.相同變幅桿半徑下,20 kHz超聲作用下水中的平均流速均大于490 kHz超聲作用下水中的平均流速.隨變幅桿半徑的增大,20和490 kHz超聲作用下水中的平均流速均先增大后減小.20 kHz頻率超聲作用下水中的平均流速在R=40 mm處達(dá)到最大值243.5 mm/s.而當(dāng)超聲頻率為490 kHz時(shí),水中的平均流速在R=40 mm處達(dá)到最大值172.7 mm/s.研究了兩種頻率超聲作用下水中的最大流速隨變幅桿半徑的變化規(guī)律,如圖6(b)所示.頻率為20 kHz的超聲作用下,水中的最大流速隨變幅桿半徑的增大先增大后減小,最大流速在R=33 mm處存在一個(gè)極大值.而當(dāng)超聲頻率增至490 kHz時(shí),水中的最大流速隨變幅桿半徑的增大出現(xiàn)兩個(gè)極大值.

圖5 (網(wǎng)刊彩色)不同頻率超聲作用下水中聲場(chǎng)的比較 (a)z軸上的聲壓分布;(b)不同變幅桿半徑下空化體積分?jǐn)?shù)Fig.5.(color online)Comparison of sound fi eld in water under di ff erent frequency ultrasounds:(a)Sound pressure distribution on z-axis;(b)cavitation volume fraction under di ff erent horn radii.

圖6 (網(wǎng)刊彩色)不同頻率超聲作用下水中流場(chǎng)的比較 (a)平均流速隨變幅桿半徑的變化規(guī)律;(b)最大流速隨變幅桿半徑的變化規(guī)律Fig.6.(color online)Comparison of flow fi eld in water under di ff erent frequency ultrasounds:(a)The variation of mean flow velocity with horn radius;(b)the variation of maximum flow velocity in water with horn radius.

3.3 流場(chǎng)的測(cè)定結(jié)果

20 kHz頻率超聲作用下水中流場(chǎng)分布的實(shí)驗(yàn)和模擬結(jié)果比較如圖7所示.其中,M和N分別表示數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)中漩渦出現(xiàn)的位置.由圖可知,漩渦位置對(duì)稱(chēng)分布,且模擬出的流線分布與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符.另外,通過(guò)粒子圖像測(cè)速技術(shù)觀察到變幅桿下方水中示蹤粒子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),如圖7(a)所示.其中白色斑點(diǎn)為示蹤粒子.比較變幅桿下方3 mm處(即圖7(a)和圖7(b)中的KL段,|KL|=20 mm)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算的流速分布,如圖7(c)所示.可以看出,實(shí)驗(yàn)測(cè)定和數(shù)值模擬的結(jié)果十分符合,沿KL段的流速均呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì),且流速最大值均出現(xiàn)在r=5.2 mm附近,從而驗(yàn)證了計(jì)算結(jié)果的可靠性.

圖7 (網(wǎng)刊彩色)實(shí)驗(yàn)測(cè)定與數(shù)值模擬結(jié)果的比較(a)20 kHz超聲作用下水中的流場(chǎng)分布;(b)變幅桿下方流場(chǎng)分布;(c)KL線段上實(shí)驗(yàn)測(cè)定與數(shù)值模擬的流速Fig.7.(color online)Comparison of experimental and numerical results:(a)The distribution of flow fi eld in water under 20 kHz ultrasound;(b)the distribution of flow fi eld under the horn;(c)the flow velocity along the KL line.

4 結(jié) 論

以水為透明模型材料,數(shù)值模擬了20和490 kHz頻率超聲作用下水中的聲場(chǎng)和流場(chǎng)分布,并通過(guò)示蹤粒子圖像測(cè)速的方法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,得到以下主要結(jié)論.

1)當(dāng)超聲頻率為20 kHz時(shí),聲壓沿超聲傳播方向呈衰減趨勢(shì);而當(dāng)超聲頻率增至490 kHz時(shí),聲壓水平提高,且沿傳播方向呈周期性振蕩特征;增大變幅桿半徑能夠使水中聲壓和發(fā)生空化效應(yīng)的區(qū)域增大.

2)相同變幅桿半徑作用下,兩種頻率超聲在水中引發(fā)了相似的流場(chǎng)分布,且20 kHz超聲作用下水中的平均流速均大于490 kHz超聲作用下水中的平均流速.

3)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)了水中的流場(chǎng)分布特征并測(cè)定了流速,發(fā)現(xiàn)漩渦出現(xiàn)的位置和流速大小均與數(shù)值計(jì)算結(jié)果較好地符合,驗(yàn)證了聲場(chǎng)和流場(chǎng)模型的正確性.

4)研究結(jié)果可以類(lèi)比出超聲在合金熔體中產(chǎn)生的聲場(chǎng)和流場(chǎng),從而為超聲處理合金熔體過(guò)程的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供有益指導(dǎo).

［1］Jian X,Xu H,Meek T T,Han Q 2005Matter Lett.59 190

［2］Zhang S,Yin L,Fang N 2009Phys.Rev.Lett.102 194301

［3］Zhao F Z,Zhu S Z,Feng X H,Yang Y S 2015Acta Phys.Sin.64 144302(in Chinese)［趙福澤,朱紹珍,馮小輝,楊院生2015物理學(xué)報(bào)64 144302］

［4］Zhai W,Hong Z Y,Wei B B 2007Sci.China Ser.G37 367(in Chinese)［翟薇,洪振宇,魏炳波 2007中國(guó)科學(xué)G:物理學(xué)力學(xué)天文學(xué)37 367］

［5］Chen R,Zheng D,Guo J,Ma T,Ding H,Su Y 2016Mater.Sci.Eng.A653 23

［6］Bang J H,Suslick K S 2010Adv.Mater.22 1039

［7］Zhai W,Hu L,Geng D L,Wei B B 2015J.Alloy.Compd.627 402

［8］Huang H J,Xu Y F,Shu D,Han Y F,Wang J,Sun B D 2014Trans.Nonferrous Met.Soc.China24 2414

［9］Gerold B,Glynnejones P,Mcdougall C,Mcgloin D,Cochran S,Melzer A 2012Appl.Phys.Lett.100 391

［10］Zhai W,Wei B B 2015Mater.Lett.138 1

［11］Dijkink R,Ohl C D 2008Appl.Phys.Lett.93 254107

［12］Muller P B,Bruus H 2015Phys.Rev.E92 063018

［13］Loh B G,Lee D R,Kwon K 2006Appl.Phys.Lett.89 2367

［14］Zhai W,Liu H M,Hong Z Y,Xie W J,Wei B B 2017Ultrason.Sonochem.34 130

［15］Tzanakis I,Lebon G S,Eskin D G,Pericleous K A 2017Ultrason.Sonochem.34 651

［16］Trujillo F J,Kai K 2011Ultrason.Sonochem.18 1263

［17］Kojima Y,Asakura Y,Sugiyama G,Koda S 2010Ultrason.Sonochem.17 978

［18］Tzanakis I,Lebon G S,Eskin D G,Pericleous K A 2017Ultrason.Sonochem.34 651

［19］Dahlem O,Reisse J,Halloin V 1999Chem.Eng.Sci.54 2829

［20］Xu Z,Yasuda K,Koda S 2013Ultrason.Sonochem.20 452

［21］Wu J,Du G 1993Ultrasound Med.Biol.19 167

［22］Aanonsen S I,Barkve T,Tj?tta J N,Tj?tta S 1984J.Acoust.Soc.Am.75 749

［23］Nightingale K R,Trahey G E 2000IEEE Trans.Ultrason.Ferr47 201

［24］Cheng J C 2012Acoustics Principle(Beijing:Science Press)p828(in Chinese)［程建春2012聲學(xué)原理(北京:科學(xué)出版社)第828頁(yè)］

Acoustic fi eld and convection pattern within liquid material during ultrasonic processing?

Wu Wen-Hua1)Zhai Wei1)?Hu Hai-Bao2)Wei Bing-Bo1)
1)(School of Natural and Applied Sciences,Northwestern Polytechnical University,Xi’an 710072,China)
2)(School of Marine Science and Technology,Northwestern Polytechnical University,Xi’an 710072,China)

When ultrasound propagates in a liquid alloy,nonlinear e ff ect takes place such as cavitation e ff ect and acoustic streaming,which accelerates the solute and thermal transportation during alloy solidi fi cation,and consequently,improves the solidi fi cation microstructures and mechanical properties of the metallic alloy.Therefore,it is signi fi cant to investigate the ultrasound propagation characteristics in liquid.Here,by choosing water as a model transparent material,the acoustic fields and flow fi elds induced by 20 and 490 kHz ultrasounds are investigated by numerical simulation,and the e ff ects of frequency and ultrasonic horn radius are studied.Firstly,the simulation results demonstrate that the sound pressure under 20 kHz ultrasound decreases obviously along the ultrasonic propagation direction,and the maximum of sound pressure value is equal to the initial pressure.In this case,the cavitation e ff ect only occurs in the region close to the ultrasonic horn.By contrast,when the ultrasonic frequency increases to 490 kHz,the sound pressure is higher than that of 20 kHz ultrasound,and displays periodical vibration characteristic along the wave propagation direction.The cavitation volume correspondingly expands to a large extent with a regular striped distribution.It can also be found that increasing the ultrasonic horn radius under 20 and 490 kHz ultrasounds can e ff ectively promote the sound pressure level in water,and hence leads to the remarkable enlargement of cavitation volume.Secondly,the calculated results of flow fi eld indicate that the streamlines in water are similar under the two ultrasounds with di ff erent frequencies.A jet produced by the center of horn spreads down and divergences to both sides after reaching the bottom.For both frequencies as the horn radius increases,the radius of jet increases and the average velocity in water fi rst increases and then decreases,whose maximum value appears when the horn radius is 40 mm.Meanwhile,the average velocity under 20 kHz ultrasound is larger than that under 490 kHz ultrasound for each horn radius.Finally,particle image velocimetry method is employed to measure the velocity fi eld in water.Both the positions of eddy and the velocity distribution are the same as the simulation results,which veri fi es the reliability of the present theoretical calculation model.The scenario in this work is analogous to the acoustic fi eld and the flow fi eld in liquid alloy,which is bene fi cial for the design of parameter optimization during ultrasonic processing in alloy solidi fi cation.

ultrasound,acoustic fi eld, flow fi eld,cavitation e ff ect

27 January 2017;revised manuscript

15 July 2017)

(2017年1月27日收到;2017年7月15日收到修改稿)

10.7498/aps.66.194303

?國(guó)家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號(hào):51327901,51571164)、陜西省科技新星項(xiàng)目(批準(zhǔn)號(hào):2016KJXX-85)和陜西省科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目資助的課題.

?通信作者.E-mail:zhaiwei322@nwpu.edu.cn

?2017中國(guó)物理學(xué)會(huì)Chinese Physical Society

PACS:43.35.+d,47.35.Rs,02.60.Cb,81.20.–n

10.7498/aps.66.194303

*Project supported by the National Natural Science Foundation of China(Grant Nos.51327901,51571164),Shaanxi Province Science and Technology Star Project(Grant No.2016KJXX-85)and Shaanxi Province Science and Technology Innovation Project Key Laboratory Project,China.

?Corresponding author.E-mail:zhaiwei322@nwpu.edu.cn