超声驻波作用下固液界面液滴脱附动态行为研究

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针对超声内加工辅助工艺研究中,在封闭空间内点蚀废液如何分离出去的难题,使得探究熔融废液内部流动趋势和界面变形特点变得尤为重要。在超声内加工过程中,因受超声辐射力、粘性力、自重力、表面张力等因素的影响使得熔融液滴运动变形趋势变得极为复杂。不同于普通的透明性液体,熔融金属液滴自身的非透明特性,致使很难直接观察到熔融液滴其内部的形态变化趋势,而数值模拟计算方法很好的解决了这一问题。  本文主要从理论模型推导、数值模拟仿真及实验验证等方面研究了超声驻波作用下固液界面液滴运动方程及形态变化规律。本研究的目的是建立一个实验验证的数值模型,以适应于其他通过改变材料参数的流体模型,从而验证超声内加工过程中熔融废液脱附分离的可能性。论文的研究内容如下:  (1)首先叙述了超声驻波基础理论,然后介绍了超声波的非线性效应并结合流体力学中的三大基本物理定律,推导出了超声驻波在流体中传播时的驻波解,并应用数值模拟仿真的方法,模拟计算了非线性效应对声压幅值的影响并与线性解析解进行了对比。最终表明,在非线性效应下,在超声波传播一段距离后,声压幅值将会发生明显改变,并且非线性效应占主导作用。其次,建立了超声波对固液界面液滴的耦合方程,并推导出了声波在流体中传播时的零级方程、一阶方程以及二阶方程。  (2)以固/液界面液滴湿润行为的具体表现形式为出发点,首先研究了不同固/液界面液滴润湿后接触角大小变化的影响因素,又开展了对固/液界面液滴脱附的影响因素及固液界面液滴力学特性的研究。其次建立了液滴在超声驻波作用下的运动方程,并通过数值仿真软件对水及低熔点合金在超声驻波作用下的形态变化及运动趋势进行了模拟仿真分析。先后研究了不同凹槽大小及深度下声压幅值的变化图,并对水滴及熔融合金中轴线及表面的声压分布图进行研究分析。最终得到了水及熔融合金对声学声压幅值分布的影响图以及在超声驻波作用下液滴的形态变化过程图及流场分布图。  (3)最后开展了超声驻波作用下固液界面液滴脱附运动实验,主要介绍了如何搭建超声驻波作用下固液界面液滴脱附运动实验,并对水滴及低熔点合金在不同凹槽大小及深度下脱附行为进行研究。分别研究了相同凹槽直径大小及深度下,不同液滴超声脱附分离的形态变化图,以及相同液滴体积大小下,不同凹槽直径及深度下,液滴超声脱附分离的形态变化图。为进一步表征液滴的形态演变,对超声脱附悬浮过程中液滴的形貌进行分析,研究液滴长径比 a/b的变化趋势。最终表明只有在特定频率及凹槽大小和深度的情况下,液滴将在超声驻波的作用下脱附分离固液界面并最终稳定悬浮于驻波节点或驻波节点附近位置。
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