超声波在铝熔体中的传播与空化作用

超声波在铝熔体中的传播与空化作用在相关工业生产中超声的应用非常習遍■把超声作用于铝合金熔棒的除气净化是肖爲国内研究的热点.主要是利用超声拒用于铝熔体所产生的特别业应，目和已经育一-些关F此方面的探讨刪”柳认为超声瓷化效应在超声除汽中起至婴作用*所以.举章光介绍超声外场在铝懈怵中传播的皋本特征，再取点分析了超戶作用于铝熔体中产生的牢化現象及其柞用效应*柞为下一章节的超声除气机理井析的理论基础.生2超声波在铝熔悴中悄播的基本特征3.2.1速度和声压泗⑷I超声波作用卜-的铝熾休贞点扳动时产牛的振幅方程为M叭TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"tJ=^sin(ft^-fla/c) ■ (3-])其中：珂一振幅’m：f—时间，5；l慣置坐标，m：曲一超声沖额rad/s；心一超声传播速度，m/sn对上闻的公式(41)求导，我側掘动速度方程为:v-^,&ixs(&t-tiix/e)-voc^fit-itJix/e) 卩2)铝熔体中因为超声波的心在会便铝埒休内部出现变化的压力：超声场柞用下的韬熔怵中任意职一点,.它在枉意时刻所具有的压强，与靜止狀态下邛同点所具备的压强之阖的差偵叫作声lh：F,它的表达式为剧片\o"CurrentDocument"尸=/T[岭CoXfiT-(Iff畑)]=件V 阳)其屮]沪一铝熔萍密度，kg/m3：芳超声波在铝熔悔中的传播方向与钳熔体战点的运动方向一致吋，在铝席体中会形成交秤变化的压缩和拉伸变形，就会产生相间隔的带寻压缩区和腸腋眞的纵波.在压缁区旬，质点受到刖压力逐渐增：在稀统区间・质点受到的压力3.£2声强某一时刻超声波在铝熔体中的某一点传播振动，该点之前处于静止状态的铝熔体介质由于开始运动而产生动能■同时该点的铝熔体由于发生形状变化而形成位能.在此超声振动传播过程中，铝熔体中的总能餐保持守恒，当质点的振动速度达到幅值时.能址可以表示如下俄(3-4)根据声强的定义：单位时间垂直超声波传播方向的单位面积具有的能蜀•此能量数值上等同于声强卢气因此7=Ec-^pcA^co1 (3-5)3.2.3超声衰减超声波在铝熔体中一直往前传播过程中，曲于声束故射等廉因引起其能锻逐渐变小的现彖称为超声波衰减〔切•靡擦引起的能凤吸收是趙声波在铝熔体中克减的主要原因，热传9产生的铝熔体中能量损失也是一个原因，不过这个原因不起主导作用.在特定情况下可以不予考虑・当平面超声波在铝熔体中传播时，声压衰减规律表示为,54-551：C=铲 (3-6)其中：P。一初始声压.Pa；几一超声传播"距离后声压，Pa；a—袞减系数，超声波衰减系数与超声声强.超声频率有关，也与铝熔体本身的温度.粘度等物性参数有关。衰彼现象是趙声波传播的必然现直，它定不可以避免的，只能尽量减小它的程度。通过上面的相应分析介绍，我们可以知道超声频率、超声功率、熔体温度等因素对超声衰减是有影响的.所以在后面的关于7050铝熔体的超声除气机理分析和试验研究中，也将从以上这些角度去展开相应讨论研究。3.3超声波对铝熔体的空化作用3.3.1超声空化机理超声波作用导入铝熔体中时引起质点发生振动•质点在交替变化的声压作用下发生压缩与拉伸的循环运动。如果声压达到一定值，則铝熔体受到的相应拉应力足够大，就会导致质点平均距离一宜增大，直至超岀对应的极限值.打破铝熔体完整结构.产生空穴【旳。前面形成的空穴在持续作用的声辐对用力下一直变大，紧接着在声波的正压相阶段，先前变大的空穴被重新压缩冋弹，如此反复作用，空化泡维持振荡状态,其中一些空化泡会产生彻底购溃［旳。铝熔体中出现空穴的最小声压值叫作空化阈值，空化阈值大小的计算有一定的相关理论和公式.根据相关理论计算出来的空化闽值•般都非常大，在这种情况下大多数理想铝熔体都是不可能发生空化效应的•但是，实际情况并非如此・爭实上相关科研工作者通过人敬实验测试得到的衣化阈值，显苦地小于理论宇化阈值，完全理想的彻底纯净的铝熔体是不太可能获得的真正意义上的空穴，而在实际铝熔体中总是存在一定的缺陷，这在很大地程度上减小了空化的值。空化呦值的大小与超声空化过程的强弱、超声空化效应剧烈程度是不同的概念，空化阈值与空化效果的好坏并不是成正比例关系。3.3.2翅声空化过程独个空化泡在铝熔体中的运动过程用下面的Nolllingk-Neppiras公式表示【坷.P（Rk冷，）+4碍（必■几+黃）皓F+乎-H-几sin曲+p严0（3-7）式中，&一空化泡初始半径，m；R—空化泡瞬间半径，m；<7—熔体的表面张力，N；P▼—蒸汽压力，Pa：卩一铝熔体密度，kg/m3；几一趙声声压幅值，Pa；P。—熔体静压力.Pa；㈢一超声角频率，rad/so上述方程町通过皿g-Kug法进行求解，本课题组先前已经有相关研究生对7050铝熔体的上面方程进行了详细的计算求解。图3・1所示的是相关文献中所得出的空化泡的典熨运动过程P叫从图中可以看出一个独立的空化泡在铝熔体中经历了膨胀与收缩，振荡，最后崩溃这些运动状态，空化泡的这些运动过程对于后面即将进行的超声除气原理分析都会起到一定的枳极作用。

05 1 15 2 25运动周期数50015DD05 1 15 2 25运动周期数50015DD1000图3-1空化泡运动过程佝这里看览说明一下空化泡运动过程中的破灭朋溃，帘化泡崩溃时产生很高的温度值，相关研究文献通过数值计算推导求得破灭瞬何空化泡所能达到的最髙温度的表达式为⑴）：(3-8)同理可以得到空化泡破裂时产生的压力也非常大，空化泡产生的瞬间最大压力的表达公式为倍）：(3-9)通过以上超声波空化过程的论述可知：毗邻空化泡的铝熔液中将产生局部瞬间的高压高温效应，虽然业效应作用时间极短，但是由于空化引起的铝熔体超声波能量的变化起伏.一定会对铝熔体的超声除气过程产生积极作用，在下一章的超声除气原理分析中还会进一步进行相应讨论。3.3.3超声空化效应铝熔体中超声空化现線的出现会产生一连串的特殊效应■根据其不同作用机理，可归结为以下几种物理效应您】：第-•个是超声空化效应引起的微射流、声流，它们促使细小粒子快速碰撞.强化了运动扩散，称之为湍动效应；第二个是超声空化由于在不同相的分界面处产生冲击作用，更新交界面，形成较多的活性面,产生微扰界面玻应；第二个是高热黴应便物质表面分子厨的皓苔键分裂「形战聚能沁上述各种效应都会在超声外场对氢原于柱7050铝熔体中的除气传頂过程中起到积极强化作用』在后面的关于超声除氢过程中氮庾于在铝落液中鶴质过穆屮.会对这些超声空化效应熬作一定採讨。3.34超声空址的解驹因素趙声空化越响因索主要可分为两大部分：铝熔体本身物性参数和超声外场葬熱其中铝博体本身的物性参数主要包括粘度、表面张力.通常情况卞铝熔休的點度靠範越弱、表面強力乘数越小，超声空化发生就越容易面J因为上谨铝熔怵本身物桂参数一股箱况下都是葩着温厘的变化両发主相应的变化.所哄在本文屮不柞重点研究「本论玄主要还是讨论超声柑关用素对空化的矗咱枠用"超声场参数I二要包括超声裁率利声压幅值.在艮他各竝煤持不变惜况卜一・超声波频率变大’空忖庖振幅变小*空忧过程更抓不容屛发生.这是因为超声频率越高，空优泡腸脱氐大的时间越短.空化核艮大的程度就越小，相对应的声波压缩相时何也越短，这样空优泡还没有压縮到崩说阶段时压力蒂用就结束:.由此可见，在实际的超声丁业运U中应谀保持选择频率相对犊低的超声电源【汕，能持屈的参数一退的状态下・如果超声浄压幅值越大，那么空优池振幅相应腔尢”I#此产生的空化泡运动更加剧烈，所以要产生良好的空応型应，疑軒选用声压幅掘比较高的超声波.试整研究和埃际生产应用中应诸选取大功率的起声波电源叫通过上面的分折.我们可以知道超再电瀕频率、超声电源功率、相便铝熔体温度等丙累对趙声空化效应祁肓显着影响•帀超尹空牝效应在对忙音金烙协的浄化除气过程中起着关悽件用■所以在第方章关于7050铝博怵超声除吒星桂参数匹配试验研究中，将会详细地从以上这些影响零数去逐个研究分析。3.4$S小结本章首-先对超声场各个土要特征域3间的关系进行間单推导，阐述超声波特播时的衰减现象"桝E左亞介绍超声浊在雷合金熔体中前空化作用机制.包括趙声空化现鉄的产生机理.空化泡的运动过程，空优现象产上的一聚列对趙声除弋起