超聲波在鋁熔體中的傳播與空化作用

超聲波在鋁熔體中的傳播與空化作用在相關(guān)工業(yè)生產(chǎn)中超聲的應(yīng)用非常習(xí)遍■把超聲作用于鋁合金熔棒的除氣凈化是肖爲(wèi)國內(nèi)研究的熱點.主要是利用超聲拒用于鋁熔體所產(chǎn)生的特別業(yè)應(yīng)，目和已經(jīng)育一-些關(guān)F此方面的探討刪”柳認(rèn)為超聲瓷化效應(yīng)在超聲除汽中起至嬰作用*所以.舉章光介紹超聲外場在鋁懈怵中傳播的皋本特征，再取點分析了超戶作用于鋁熔體中產(chǎn)生的牢化現(xiàn)象及其柞用效應(yīng)*柞為下一章節(jié)的超聲除氣機(jī)理井析的理論基礎(chǔ).生2超聲波在鋁熔悴中悄播的基本特征3.2.1速度和聲壓泗⑷I超聲波作用卜-的鋁熾休貞點扳動時產(chǎn)牛的振幅方程為M叭TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"tJ=^sin(ft^-fla/c) ■ (3-])其中：珂一振幅’m：f—時間，5；l慣置坐標(biāo)，m：曲一超聲沖額rad/s；心一超聲傳播速度，m/sn對上聞的公式(41)求導(dǎo)，我側(cè)掘動速度方程為:v-^,&ixs(&t-tiix/e)-voc^fit-itJix/e) 卩2)鋁熔體中因為超聲波的心在會便鋁埒休內(nèi)部出現(xiàn)變化的壓力：超聲場柞用下的韜熔怵中任意職一點,.它在枉意時刻所具有的壓強(qiáng)，與靜止?fàn)顟B(tài)下邛同點所具備的壓強(qiáng)之闔的差偵叫作聲lh：F,它的表達(dá)式為劇片\o"CurrentDocument"尸=/T[嶺CoXfiT-(Iff畑)]=件V 陽)其屮]滬一鋁熔萍密度，kg/m3：芳超聲波在鋁熔悔中的傳播方向與鉗熔體戰(zhàn)點的運動方向一致吋，在鋁席體中會形成交秤變化的壓縮和拉伸變形，就會產(chǎn)生相間隔的帶尋壓縮區(qū)和腸腋眞的縱波.在壓緇區(qū)旬，質(zhì)點受到刖壓力逐漸增：在稀統(tǒng)區(qū)間?質(zhì)點受到的壓力3.￡2聲強(qiáng)某一時刻超聲波在鋁熔體中的某一點傳播振動，該點之前處于靜止?fàn)顟B(tài)的鋁熔體介質(zhì)由于開始運動而產(chǎn)生動能■同時該點的鋁熔體由于發(fā)生形狀變化而形成位能.在此超聲振動傳播過程中，鋁熔體中的總能餐保持守恒，當(dāng)質(zhì)點的振動速度達(dá)到幅值時.能址可以表示如下俄(3-4)根據(jù)聲強(qiáng)的定義：單位時間垂直超聲波傳播方向的單位面積具有的能蜀?此能量數(shù)值上等同于聲強(qiáng)盧氣因此7=Ec-^pcA^co1 (3-5)3.2.3超聲衰減超聲波在鋁熔體中一直往前傳播過程中，曲于聲束故射等廉因引起其能鍛逐漸變小的現(xiàn)彖稱為超聲波衰減〔切?靡擦引起的能鳳吸收是趙聲波在鋁熔體中克減的主要原因，熱傳9產(chǎn)生的鋁熔體中能量損失也是一個原因，不過這個原因不起主導(dǎo)作用.在特定情況下可以不予考慮?當(dāng)平面超聲波在鋁熔體中傳播時，聲壓衰減規(guī)律表示為,54-551：C=鏟 (3-6)其中：P。一初始聲壓.Pa；幾一超聲傳播"距離后聲壓，Pa；a—袞減系數(shù)，超聲波衰減系數(shù)與超聲聲強(qiáng).超聲頻率有關(guān)，也與鋁熔體本身的溫度.粘度等物性參數(shù)有關(guān)。衰彼現(xiàn)象是趙聲波傳播的必然現(xiàn)直，它定不可以避免的，只能盡量減小它的程度。通過上面的相應(yīng)分析介紹，我們可以知道超聲頻率、超聲功率、熔體溫度等因素對超聲衰減是有影響的.所以在后面的關(guān)于7050鋁熔體的超聲除氣機(jī)理分析和試驗研究中，也將從以上這些角度去展開相應(yīng)討論研究。3.3超聲波對鋁熔體的空化作用3.3.1超聲空化機(jī)理超聲波作用導(dǎo)入鋁熔體中時引起質(zhì)點發(fā)生振動?質(zhì)點在交替變化的聲壓作用下發(fā)生壓縮與拉伸的循環(huán)運動。如果聲壓達(dá)到一定值，則鋁熔體受到的相應(yīng)拉應(yīng)力足夠大，就會導(dǎo)致質(zhì)點平均距離一宜增大，直至超岀對應(yīng)的極限值.打破鋁熔體完整結(jié)構(gòu).產(chǎn)生空穴【旳。前面形成的空穴在持續(xù)作用的聲輻對用力下一直變大，緊接著在聲波的正壓相階段，先前變大的空穴被重新壓縮冋彈，如此反復(fù)作用，空化泡維持振蕩狀態(tài),其中一些空化泡會產(chǎn)生徹底購潰［旳。鋁熔體中出現(xiàn)空穴的最小聲壓值叫作空化閾值，空化閾值大小的計算有一定的相關(guān)理論和公式.根據(jù)相關(guān)理論計算出來的空化閩值?般都非常大，在這種情況下大多數(shù)理想鋁熔體都是不可能發(fā)生空化效應(yīng)的?但是，實際情況并非如此?爭實上相關(guān)科研工作者通過人敬實驗測試得到的衣化閾值，顯苦地小于理論宇化閾值，完全理想的徹底純凈的鋁熔體是不太可能獲得的真正意義上的空穴，而在實際鋁熔體中總是存在一定的缺陷，這在很大地程度上減小了空化的值?？栈现档拇笮∨c超聲空化過程的強(qiáng)弱、超聲空化效應(yīng)劇烈程度是不同的概念，空化閾值與空化效果的好壞并不是成正比例關(guān)系。3.3.2翅聲空化過程獨個空化泡在鋁熔體中的運動過程用下面的Nolllingk-Neppiras公式表示【坷.P（Rk冷，）+4礙（必■幾+黃）皓F+乎-H-幾sin曲+p嚴(yán)0（3-7）式中，&一空化泡初始半徑，m；R—空化泡瞬間半徑，m；<7—熔體的表面張力，N；P▼—蒸汽壓力，Pa：卩一鋁熔體密度，kg/m3；幾一趙聲聲壓幅值，Pa；P。—熔體靜壓力.Pa；㈢一超聲角頻率，rad/so上述方程町通過皿g-Kug法進(jìn)行求解，本課題組先前已經(jīng)有相關(guān)研究生對7050鋁熔體的上面方程進(jìn)行了詳細(xì)的計算求解。圖3?1所示的是相關(guān)文獻(xiàn)中所得出的空化泡的典熨運動過程P叫從圖中可以看出一個獨立的空化泡在鋁熔體中經(jīng)歷了膨脹與收縮，振蕩，最后崩潰這些運動狀態(tài)，空化泡的這些運動過程對于后面即將進(jìn)行的超聲除氣原理分析都會起到一定的枳極作用。

05 1 15 2 25運動周期數(shù)50015DD05 1 15 2 25運動周期數(shù)50015DD1000圖3-1空化泡運動過程佝這里看覽說明一下空化泡運動過程中的破滅朋潰，簾化泡崩潰時產(chǎn)生很高的溫度值，相關(guān)研究文獻(xiàn)通過數(shù)值計算推導(dǎo)求得破滅瞬何空化泡所能達(dá)到的最髙溫度的表達(dá)式為⑴）：(3-8)同理可以得到空化泡破裂時產(chǎn)生的壓力也非常大，空化泡產(chǎn)生的瞬間最大壓力的表達(dá)公式為倍）：(3-9)通過以上超聲波空化過程的論述可知：毗鄰空化泡的鋁熔液中將產(chǎn)生局部瞬間的高壓高溫效應(yīng)，雖然業(yè)效應(yīng)作用時間極短，但是由于空化引起的鋁熔體超聲波能量的變化起伏.一定會對鋁熔體的超聲除氣過程產(chǎn)生積極作用，在下一章的超聲除氣原理分析中還會進(jìn)一步進(jìn)行相應(yīng)討論。3.3.3超聲空化效應(yīng)鋁熔體中超聲空化現(xiàn)線的出現(xiàn)會產(chǎn)生一連串的特殊效應(yīng)■根據(jù)其不同作用機(jī)理，可歸結(jié)為以下幾種物理效應(yīng)您】：第-?個是超聲空化效應(yīng)引起的微射流、聲流，它們促使細(xì)小粒子快速碰撞.強(qiáng)化了運動擴(kuò)散，稱之為湍動效應(yīng)；第二個是超聲空化由于在不同相的分界面處產(chǎn)生沖擊作用，更新交界面，形成較多的活性面,產(chǎn)生微擾界面玻應(yīng)；第二個是高熱黴應(yīng)便物質(zhì)表面分子廚的皓苔鍵分裂「形戰(zhàn)聚能沁上述各種效應(yīng)都會在超聲外場對氫原于柱7050鋁熔體中的除氣傳頂過程中起到積極強(qiáng)化作用』在后面的關(guān)于超聲除氫過程中氮庾于在鋁落液中鶴質(zhì)過穆屮.會對這些超聲空化效應(yīng)熬作一定採討。3.34超聲空址的解駒因素趙聲空化越響因索主要可分為兩大部分：鋁熔體本身物性參數(shù)和超聲外場葬熱其中鋁博體本身的物性參數(shù)主要包括粘度、表面張力.通常情況卞鋁熔休的點度靠範(fàn)越弱、表面強(qiáng)力乘數(shù)越小，超聲空化發(fā)生就越容易面J因為上謹(jǐn)鋁熔怵本身物桂參數(shù)一股箱況下都是葩著溫厘的變化両發(fā)主相應(yīng)的變化.所哄在本文屮不柞重點研究「本論玄主要還是討論超聲柑關(guān)用素對空化的矗咱枠用"超聲場參數(shù)I二要包括超聲裁率利聲壓幅值.在艮他各竝煤持不變惜況卜一?超聲波頻率變大’空忖庖振幅變小*空憂過程更抓不容屛發(fā)生.這是因為超聲頻率越高，空優(yōu)泡腸脫氐大的時間越短.空化核艮大的程度就越小，相對應(yīng)的聲波壓縮相時何也越短，這樣空優(yōu)泡還沒有壓縮到崩說階段時壓力蒂用就結(jié)束:.由此可見，在實際的超聲丁業(yè)運U中應(yīng)諛保持選擇頻率相對犢低的超聲電源【汕，能持屈的參數(shù)一退的狀態(tài)下?如果超聲浄壓幅值越大，那么空優(yōu)池振幅相應(yīng)腔尢”I#此產(chǎn)生的空化泡運動更加劇烈，所以要產(chǎn)生良好的空応型應(yīng)，疑軒選用聲壓幅掘比較高的超聲波.試整研究和埃際生產(chǎn)應(yīng)用中應(yīng)諸選取大功率的起聲波電源叫通過上面的分折.我們可以知道超再電瀕頻率、超聲電源功率、相便鋁熔體溫度等丙累對趙聲空化效應(yīng)祁肓顯著影響?帀超尹空牝效應(yīng)在對忙音金烙協(xié)的浄化除氣過程中起著關(guān)悽件用■所以在第方章關(guān)于7050鋁博怵超聲除吒星桂參數(shù)匹配試驗研究中，將會詳細(xì)地從以上這些影響零數(shù)去逐個研究分析。3.4$S小結(jié)本章首-先對超聲場各個土要特征域3間的關(guān)系進(jìn)行間單推導(dǎo)，闡述超聲波特播時的衰減現(xiàn)象"桝E左亞介紹超聲濁在雷合金熔體中前空化作用機(jī)制.包括趙聲空化現(xiàn)鉄的產(chǎn)生機(jī)理.空化泡的運動過程，空優(yōu)現(xiàn)象產(chǎn)上的一聚列對趙聲除弋起