题目：超声场的模拟和测量 指导教师：刘丽艳 汇报人：杨洋

题目：超声场的模拟和测量题目：超声场的模拟和测量 指导教师：刘丽艳 汇报人：杨洋

课题背景课题背景

研究内容研究内容

研究方法研究方法

进度安排进度安排

近几十年来，超声被广泛应用到清洗、医疗、声化学、检测、污水处理等诸多领域当中。而掌握声场分布状况则对超声在清洗、声化学以及污水处理等领域中的有效应用有着至关重要的作用。但是由于空化效应的存在，使得对其的研究变得十分困难。

一、课题背景一、课题背景

国内外研究现状

理论分析理论分析 数值模拟数值模拟 实验测量实验测量

超声波的声场的分布主要可通过理论分析、数值模拟和实验测量三种途径来表征。

理论分析：空泡动力学模型— Rayleigh-

Plesset 方程 对于静止的单个球形气泡，在忽略水中气体扩散的情况对于静止的单个球形气泡，在忽略水中气体扩散的情况下，其平衡条件为：下，其平衡条件为：

RayleighRayleigh 最早在 最早在 19171917 年给出了不可压缩理想流体年给出了不可压缩理想流体的气泡运动方程 的气泡运动方程 (Rayleigh(Rayleigh 方程方程 ):):

国内外研究现状

2bp p

R

22

2

( ) ( ) 3

2b

f

p t p t d R dRRdt dt

PlessetPlesset 在在 RayleighRayleigh 方程中增加方程中增加粘性粘性和和表面张力表面张力项，项，得到了著名的得到了著名的 Rayleigh—PlessetRayleigh—Plesset 方程方程 : :

国内外研究现状

22

2

( ) ( ) 43 2

2b t

f f

p t p t d R dR dRRdt dt R dt R

泡壁运动加速度

泡壁运动速度

运动粘度 表面张力

它们给出了气泡半径与压强、粘度、表面张力等因素它们给出了气泡半径与压强、粘度、表面张力等因素之间的关系，求解声波方程和气泡动力学方程就可以得到空之间的关系，求解声波方程和气泡动力学方程就可以得到空化场的情况，但常常无法用于研究复杂的、以非线性为主的化场的情况，但常常无法用于研究复杂的、以非线性为主的空化现象。 空化现象。

数值模拟：

国内外研究现状

两相流体模型模两相流体模型模拟法拟法

阻尼超声阻尼超声波传播法波传播法 两步计算法两步计算法

先计算流体在声场作用下空化泡的出现，然后计算由声波扩散引起的气泡空间时间相互作用过程

首先计算无空化效应的稳态线性压力场分布，然后考虑空化作用对声场分布的影响

将气泡运动在流体中产生的阻尼作用计入波动方程，应用时域有限差分法、边界元法模拟计算超声反应器内的声场分布

数值模拟数值模拟

主要采用商业有限元软件如ANSYS 、 FLUENT 、 MATLAB 、 Femlab ， ATILA 以及声学软件 SYSNOISE 等进行模拟。

国内外研究现状

实验测量：

国内外研究现状

测量方法 定量性 稳定性 实时性 设备成本 操作难易

力学效应测量法辐射力法 中 好 好 中 中

水听器法 中 好 好 中 易

光纤探测法 好 差 好 高 难

铝箔腐蚀法 差 差 好 低 易

热学效应测量法 晶体显色法 差 差 差 高 难

热敏探头法 中 差 中 中 中

化学效应测量法 染色法 差 好 差 低 易

碘释放法 差 差 好 低 中

光学效应测量法 声致发光成像法 差 差 差 中 中

TA 法 差 中 差 中 中

Step 1Step 1

基于 ANSYS workbench对超声反应器中的声场情况进行三维三维的双双向流固耦合向流固耦合数值模拟；

Step 2Step 2

研究湍流模型、壁面函数等模拟参数对结果的影响，确定最佳的模拟方法；

Step 3Step 3

进一步模拟研究换能器频率、输入功率、液体粘度、表面张力、温度、不可压缩气体质量分数、液位等参数对空化场分布的影响

数值模拟数值模拟

二、研究内容二、研究内容

Step 2Step 2

Step 3Step 3

Step 1Step 1

利用水听器水听器，首，首先测量槽中先测量槽中一点一点处处声压的声压的时域时域变变化情况，并研究化情况，并研究不同不同频率频率、、功率功率下声压信号的随下声压信号的随时间的变化特点时间的变化特点

改变水听器的位改变水听器的位置，测量不同位置，测量不同位置处的声压，置处的声压，并利用 MATLABMATLAB将测量结果可视化，从而得到槽中整体声场的分布情况；

进一步研究频率、功率、温度、液位等参数对声场分布的影响。

实验测量实验测量

研究内容

三、研究方法三、研究方法

问题描述问题描述项目 详情仪器尺寸 208X192X210(mm)

清洗槽内尺寸 150X140X100(mm)液位高度 80mm超声频率 40kHz

清洗槽材质 不锈钢内槽壁厚 2mm超声功率 100W功率可调范围 40%-99%换能器个数 1换能器位置 清洗槽底部正中

模拟思路： 双向流固耦合的实现双向流固耦合的实现双向流固耦合的实现双向流固耦合的实现

空化作用的考虑空化作用的考虑空化作用的考虑空化作用的考虑

将换能器的输入转化为作用在槽底部一圆形区域的随时间正弦变化的位移 /压力边界条件，槽底的振动引起槽内流体压力变化，同时流场变化又反过来作用于槽的结构，结构部分用 Transient Structual 分析，流体用 CFX 计算，利用ANSYS workbench 实现二者之间的双向耦合计算。

考虑到空化泡的存在，槽内的空化场实际是液态水和空化气泡的两相流动问题，所以本文以多相流模型中的混合物模型（ Mixture Model）为基础，并结合空化模型来对槽内的空化场进行模拟。

模拟方法

模型建立：

模拟方法

网格划分：

模拟方法

网格信息： size < λ/6固体： Nodes 112702 流体： Nodes 173061 Elements 15997 Elements 163680

固体边界条件：

模拟方法

A ： Fixed SupportB ： Fluid Solid InterfaceC ： DisplacementDistance=0.00001*sin （ 2*180*40000*time）

流体边界条件：

模拟方法

OpeniOpeningngOpeniOpeningng

WalWalllWalWalll

InterfInterfaceaceInterfInterfaceace

实验测量：

测量方法

水听器简介定义：水听器又称水下传声器（ underwater

microphone），是把水下声信号转换为电信号的换能器。构成：水听器通常由三个基本部件所构成 , 它们是灵敏元件、前置放大器及电缆接头。

测量方法

水听器分类

测量方法

压电水听器压电水听器压电水听器压电水听器

磁致伸缩水听器磁致伸缩水听器磁致伸缩水听器磁致伸缩水听器

光纤水听器光纤水听器光纤水听器光纤水听器

针式水听器针式水听器针式水听器针式水听器

圆柱式水听器圆柱式水听器圆柱式水听器圆柱式水听器

膜式水听器膜式水听器膜式水听器膜式水听器

球形水听器球形水听器球形水听器球形水听器

电磁水听器电磁水听器电磁水听器电磁水听器

按原理

按形状

压电水听器压电材料：是受到压力作用时会在两端面间出现电压的晶体材料。

测量方法

压电效应：某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。

水听器参数

测量方法

灵敏度灵敏度 指向性指向性 电特性电特性

本文所采用的水听器型号： RESON T C4040

测量方法

2012.11-2013.12 模拟方法的完善，模型的建立和验证； 2013.01-2013.03 研究不同参数对模拟结果的影响； 2013.04-2013.07 利用水听器对超声槽的声场分部进行

试验测量，并与模拟结果进行对比；

2013.08-2013.10 完成两篇小论文的撰写； 2013.11-2014.06 撰写学位论文，完成毕业答辩工作。

四、进度安排四、进度安排

谢谢老师