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随着能源危机和环境污染问题的日益严峻,超声波应用于酯交换反应制备生物柴油已成为近年来研究的热点。故课题组前期采用市售固体碱铝氧单钠为催化剂,结合超声波技术,对生物柴油的制备过程进行实验研究,结果表明:超声波大大强化了生物柴油的合成,可以作为辅助制备生物柴油的重要手段。超声波对酯交换反应的强化主要是通过空化效应来进行的,而空化效应的强弱主要是通过气泡的运动、溃灭等动力学过程所决定的。因此,开展酯交换反应中空化行为的研究具有十分重要的理论和实际参考意义。 本文在简述了超声空化研究的实验方法和数值方法,总结了国内外在单泡数值研究和单泡动力学研究的进展的基础上,对超声波强化酯交换反应的作用机制、超声波强化多相体系的传质模型、超声波对反应过程强化的作用机理及影响因素进行了分析。 通过理论分析,推导出多相体系内单一空化气泡运动方程,建立相应的动力学模型,联立空化泡溃灭时泡内温度及压力与声压幅值和主体温度的关系式,采用MATLAB对其进行数值计算,考察声源参数和介质参数对空化效应的影响。结果表明:随着超声频率的减小,空化泡振幅增大,溃灭温度和压力增大,空化效应增强;随着超声幅值的增大,空化泡幅值增大,溃灭温度和压力先增加后减小,空化效应先增强后减弱;随着空化泡初始半径的减小,空化泡幅值、溃灭温度和压力都增加,空化效应增强;随着主体温度升高,溃灭温度和压力都降低,空化效应减弱;随着绝热指数增大,溃灭温度升高,压力减小,空化泡振幅变化幅度小。 基于气-液两相模型、湍流模型和完全空化模型,本文利用Fluent软件对单频超声和双频复合超声作用下空化流场进行了模拟,结果表明:单频超声波振动作用下能短时间形成稳定流场,振子正上方的运动比较激烈,内部形成两个对称的回流区,这样的流场搅拌效果可以促进反应物的混合。双频超声下形成稳定的流场的时间更短,流场可以形成两对对称的环流区,与单一超声相比,这样更有利于混合。