得到了着名的Rayleigh—Plesset方程

名的Rayleigh—Plesset方程: 泡壁运动
加速度
运动粘度
表面张力
pb (t) p (t)
f

d2R R dt2

3 dR 2 2 dt

4 t
R
dR dt

2 f R
泡壁运动 速度
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。
Step 2
改变水听器的位 置，测量不同位 置处的声压，并 利用MATLAB 将测量结果可视 化，从而得到槽 中整体声场的分 布情况；
Step 3
进一步研究频率 、功率、温度、 液位等参数对声 场分布的影响。
问题描述
项目 仪器尺寸 清洗槽内尺寸 液位高度 超声频率 清洗槽材质 内槽壁厚 超声功率 功率可调范围 换能器个数 换能器位置
模拟方法
流体边界条件：
Opening
Wall Interface
测量方法
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。
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 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
研究内容
实验测量
Step 1
利用水听器，首 先测量槽中一点 处声压的时域变 化情况，并研究 不同频率、功率 下声压信号的随 时间的变化特点
详情
208X192X210(mm) 150X140X100(mm)
80mm 40kHz 不锈钢
2mm 100W 40%-99%
1 清洗槽底部正中
模拟方法
模拟思路：
双向流固耦合的实现
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。
国内外研究现状
数值模拟：
两相流体模型模 拟法
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
将气泡运动在流体
数值模拟
中产生的阻尼作用
计入波动方程，应 阻尼超声 用时域有限差分法、波传播法
两步计算法
边界元法模拟计算
超声反应器内的声
场分布
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
理论分析
•基于简化 R-P 方程的空化模 型； •基于经验得出 的比例化空化 模型； •通过空泡受力 分析得出的空 化模型。
数值模拟
实验测量
•两相流流体 模拟法； •两步计算法； •阻尼超声波 传播法。
•水听器法； •铝箔腐蚀法； •染色法； •光纤探测法； •声致发光法等
国内外研究现状
理论分析：空泡动力学模型—Rayleigh- Plesset方程
测量方法
水听器分类
按原理
压电水听器 磁致伸缩水听器 光纤水听器 电磁水听器
按形状
针式水听器 圆柱式水听器 膜式水听器 球形水听器
测量方法
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。
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。
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
Biblioteka Baidu
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
数值模拟
Step 1
基于ANSYS workbench对超 声反应器中的 声场情况进行 三维的双向流 固耦合数值模 拟；
Step 2
国内外研究现状
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：
测量方法
定量性 稳定性 实时性 设备成本 操作难易
辐射力法
中
好
好
中
中
力学效应测量法 水听器法
中
好
好
中
易
光纤探测法
好
差
好
高
难
铝箔腐蚀法
测量方法
水听器参数
灵敏度
指向性
电特性
电缆端自由场 指向性响应图、
电压灵敏度(级)、 指向性指数、 频率响应、温 度稳定性、时 指向性因数、
间稳定性
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：
p

pb

2
R
Rayleigh最早在 1917年给出了不可压缩理想流体的气泡运 动方程 (Rayleigh方程):
pb
(t)
f
p
(t)

R
d2R dt 2

3 2

dR dt
2
国内外研究现状
Plesset在Rayleigh方程中增加粘性和表面张力项，得到了著
空化作用的考虑
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：
网格信息：size < λ/6 固体：Nodes 112702
题目：超声场的模拟和测量
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。
国内外研究现状
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。
Elements 15997
流体：Nodes 173061 Elements 163680
模拟方法
固体边界条件：
A：Fixed Support B：Fluid Solid Interface C：Displacement Distance=0.00001*sin（2*180*40000*time）