基于超声驻波技术的液滴悬浮分离方法研究

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“内加工”是将加工工具或加工能量聚焦于材料内部形成新表面的加工方法,其拓宽了传统“外加工”成形方法的局限性,提高了零件成形能力。超声内加工技术是一种无容器非接触式“内加工”技术,其原理是将超声聚焦的能量输送到坯料内部,在能量聚焦位置将坯料融化后再输运出去,逐步形成内部结构,该技术由于其无容器非接触且无材料属性等特点,相比其他加工技术具有其独特优势。实现材料的超声内加工迫切需要解决的一个技术难点是该如何将聚焦能量融化后形成的废液输运出母体,而废液要实现输运首先要与母体材料进行分离,本文研究的基于超声驻波技术的液滴悬浮分离方法,为解决这一问题提供了理论方法。  目前国内外研究主要集中在对固体或者液滴的悬浮性能进行研究,比如提高悬浮力、悬浮稳定性以及悬浮输运等进行理论的研究,或者直接研究液滴在一定初始速度撞击平壁的铺展和收缩振荡过程,但是对于在超声驻波作用下的液滴从壁面分离过程的机理研究却很少涉及。本文提出了液滴超声悬浮分离的原理,分析了液滴从平壁上分离时的收缩、分离、悬浮三大过程,建立了超声驻波作用下的椭球形液滴和球缺形液滴模型,分别对模型进行了受力分析,推导出了两种液滴模型所受的声辐射力表达式,得出了平壁上液滴在超声驻波辐射力作用下的动态运动数学模型,对液滴从静态到从壁面分离的变形过程进行了理论解释,最后设计了平壁上液滴悬浮分离试验系统,进行了多组试验并对试验结果进行了系统的分析。试验结果表明平壁上液滴在超声驻波声辐射力的作用下会进行收缩,并最终从壁面上分离悬浮起来。证明了液滴超声悬浮分离数学模型的正确性和技术的可行性。  本文主要研究内容与成果如下:  (1)提出了液滴超声悬浮分离变形原理,分析了接触角小于90°和大于90°时液滴的分离变形过程;  (2)建立了平壁上液滴的椭球形和球缺形液滴模型,并分别进行受力分析,得出液滴在平壁上的动态平衡方程;  (3)对影响球缺形液滴的声压分布的参数进行了仿真分析;  (4)设计了平壁上液滴分离试验系统,进行了多组试验并对试验结果进行讨论分析,分析结果验证了超声驻波实现平壁上小液滴悬浮分离的可行性。
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