随着经济的发展和人口的增长,化工厂和纺织厂产生的有机污染物对环境的污染问题已经越来越严重。因此,寻找一种高效、经济和绿色的降解方法对人类健康和全球经济社会的发展至关重要。近年来,超声氧化法被认为是最有前景的降解方法之一。超声氧化法的工作原理是超声空化效应。液体中的小气泡在受到超声波的作用力时,会产生声空化现象。气泡发生空化的过程中会产生羟基自由基,从而实现降解污水的目的。产生声空化的条件之一是超声波的声压幅值必须大于空化阈值。因此,超声清洗槽内的声场分布和声压值是影响有机溶液超声降解率的两个重要因素。作为超声降解实验的反应器,超声清洗水槽中的换能器位于水槽底部,使得从水槽底部发出的超声波经液面反射,最终在超声清洗水槽内形成了驻波声场。驻波声场中波谷处的声压幅值小于空化阈值,因此波谷处不发生空化效应。为了消除驻波声场,提高有机溶液的超声降解率,需要对超声清洗槽的声场分布进行优化。本文数值模拟了机械搅拌和添加金属结构等条件下水槽内的声场分布,并设计超声降解实验验证了仿真结果。主要研究内容如下:1.使用仿真软件COMSOL数值模拟了机械搅拌引起的流场和声场分布。仿真结果显示,在水槽内进行机械搅拌可以消除驻波声场,提高声场分布的均匀性。研究了搅拌速度对水槽内声场分布的影响。然后从水槽内选取一点,模拟了该点处不同时刻下的声压值,利用拟合得到的声压的瞬时变化函数,基于气泡动力学方程,计算出空化泡的半径随时间的变化规律。接下来根据空化泡半径与气泡壁运动速度和气泡内部温度的关系,得到了不同转速下气泡壁运动速度和气泡内部温度随时间的变化关系。气泡壁运动速度和气泡内部温度与声空化强度成正比,因此,基于上述方法,可以从理论上分析机械搅拌速度对声空化强度的影响,为提高超声协同机械搅拌实验中有机溶液的降解率提供理论依据。2.设计了超声辐射协同搅拌实验进一步验证了数值模拟的声场分布和空化强度的正确性。降解实验的结果显示,亚甲基蓝溶液的去除率会随着搅拌速度的增大,先升高后降低,当搅拌速度在600rpm时,去除率最高,随后开始降低。实验结果与仿真结果基本一致。搅拌速度为2000rpm时溶液的降解率与搅拌速度为300rpm时溶液的降解率相等。除此之外,还研究了亚甲基蓝的质量和溶液的体积对亚甲基蓝溶液的超声降解率的影响。同一参数下,溶液的初始浓度越大,溶液的超声降解率越低;在相同的时间内,亚甲基蓝的质量越大,溶液吸光度的变化速度越大。3.基于声波方程,从声学理论上解释机械搅拌对水槽内声场分布的影响。首先,利用流体平衡方程,得到了一定搅拌速度下,超声清洗水槽内的液面形状。根据声波方程和入射声波在两种不同介质分界面上的反射特性,得出了反射声压的反射角和反射系数随分界面斜率变化的函数关系。将一定搅拌速度下的液面斜率随水平方向的变化关系式代入反射声压的表达式中,得到了一定搅拌速度下,水槽内的反射声压分布。然后,利用有限元法数值模拟了水槽内不同流速下的散射声压。从仿真结果可以看出,机械搅拌引起的散射声压很小,对水槽内声场分布的影响可以忽略不计。因此,机械搅拌后的声场为入射声压与反射声压之和,最后通过数值模拟对声场的理论计算结果进行了验证。接下来,基于反射声压与液面斜率之间的关系式,在超声清洗槽内添加了抛物型金属体。由于金属体的声学硬边界可以改变入射声波的反射方向,从而达到优化水槽内声场分布的目的。从仿真结果中可以看到,在超声清洗槽内添加了抛物型金属体,可以提高驻波波节处的声空化强度。此外,还分析了抛物型金属体结构对容器内声场分布和声空化强度的影响。4.为了消除超声清洗槽内的驻波声场,提高水槽内声场分布的均匀性,在水槽底部4个换能器的正上方分别放置带有圆孔的金属圆盘。研究了金属圆盘的孔径对水槽内声场分布的影响。根据平面声波在两种不同介质的界面上的透射系数,换能器发射的平面声波主要通过金属圆盘的圆孔传播到水槽内。除此之外,当声波传播到圆孔边缘时会发生声衍射。因此,添加了带有圆孔的金属圆盘后,总声压为通过圆孔的声压、衍射声压以及反射声压的总和。仿真结果表明,在水槽内放置开孔的金属圆盘,可以消除水槽内驻波声场,提高水槽声场分布的均匀性。当金属圆盘的孔径太小时,会降低水槽内的声压值;当其孔径太大时,在水槽内会形成驻波声场,从而减少了水槽内空化发生的区域。为了提高有机溶液的超声降解率,本文提出了 3种方法,包括协同机械搅拌,在水槽内添加抛物型金属体和带有圆孔的金属圆盘。这3种方法均提高了超声清洗槽内声场分布的均匀性和声空化强度。研究结果为从声场角度研究溶液的超声降解率提供了理论依据,推动了超声降解实验的发展。