林宸煜，張光學(xué)，馬振方，王進(jìn)卿，顧海林，袁定琨

（中國(guó)計(jì)量大學(xué)能源工程研究所，浙江 杭州 310018）

0 引 言

聲波團(tuán)聚是一種利用高強(qiáng)聲場(chǎng)快速有效消除氣溶膠的技術(shù)，顆粒在聲波作用下發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，隨后在范德華力的作用下進(jìn)行團(tuán)聚，小顆粒相互黏附在一起形成粒徑較大的顆粒，顆粒數(shù)目減少[1]。該現(xiàn)象在1931年首次被發(fā)現(xiàn)[2]，但直到最近幾十年，隨著環(huán)保要求的提高，聲波團(tuán)聚研究重新受到重視[3-5]。目前常規(guī)的除塵方式不能有效去除煙氣中的超細(xì)顆粒物，聲波團(tuán)聚可使細(xì)顆粒物發(fā)生團(tuán)聚，從而達(dá)到良好的除塵效果[6]。聲波團(tuán)聚技術(shù)具有成本低、方案簡(jiǎn)單、起效迅速等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是最有發(fā)展前景的技術(shù)之一，在消煙、除霧、除塵等方面均呈現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景[7-8]。

國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者已對(duì)聲波團(tuán)聚進(jìn)行了各方面的研究，其中陳厚濤等[4]在頻率為1 kHz的聲波條件下，發(fā)現(xiàn)聲波團(tuán)聚對(duì)燃煤飛灰的脫除效率能達(dá)到60%以上。張光學(xué)等[7]發(fā)現(xiàn)聲波團(tuán)聚對(duì)超細(xì)液滴具有很強(qiáng)的消除效果，能在數(shù)秒內(nèi)使液滴的質(zhì)量濃度減少99%左右。王潔等[6]利用在聲波團(tuán)聚中添加石灰種子顆粒的方法，使燃煤飛灰顆粒的最佳團(tuán)聚效率達(dá)到71%左右。Manoucheri等[9]采用19.6 kHz的駐波聲場(chǎng)對(duì)炭黑氣溶膠進(jìn)行聲波團(tuán)聚，發(fā)現(xiàn)顆粒的數(shù)目大幅減少，并形成了超過4 μm的團(tuán)聚體。Komarov等[10]利用低頻聲波對(duì)粒徑分布介于0.1～80 μm之間的Zn細(xì)顆粒進(jìn)行聲波團(tuán)聚實(shí)驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)顆粒數(shù)目減少約60%。

聲波團(tuán)聚機(jī)理十分復(fù)雜，目前學(xué)術(shù)界提出的主要機(jī)理包括同向團(tuán)聚作用與流體力學(xué)作用。這些機(jī)理都是從微觀角度來描述氣溶膠的受力和運(yùn)動(dòng)，即聲場(chǎng)被視為平面波，顆粒物以來回震蕩為主，忽略流場(chǎng)的宏觀運(yùn)動(dòng)。然而，這不足以準(zhǔn)確描述顆粒團(tuán)聚過程。

目前聲波團(tuán)聚理論體系中并無宏觀角度的研究，也沒有學(xué)者提出這方面的理論假設(shè)。本文首次提出了聲流和聲渦作為團(tuán)聚機(jī)理的觀點(diǎn)，擴(kuò)展了聲波團(tuán)聚機(jī)理，并進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)試，研究結(jié)果為了解顆粒聲波團(tuán)聚的原理提供重要參考。

1 聲波團(tuán)聚機(jī)理

1.1 現(xiàn)有的聲波團(tuán)聚機(jī)理

1.1.1 同向團(tuán)聚機(jī)理

同向團(tuán)聚機(jī)理[11]的主要依據(jù)是不同粒徑的顆粒在聲場(chǎng)中被聲波帶動(dòng)的程度不同，大顆粒的慣性較大不容易被聲波挾帶，而小顆粒則容易隨聲波發(fā)生振動(dòng)，兩者之間發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)并碰撞，進(jìn)一步團(tuán)聚成更大粒徑的顆粒，顆粒總數(shù)目減少。

學(xué)者普遍認(rèn)為該理論是聲波團(tuán)聚機(jī)理最重要的部分，但同向團(tuán)聚機(jī)理存在著一些缺陷，例如根據(jù)該理論單分散相氣溶膠不會(huì)發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象，這與實(shí)際實(shí)驗(yàn)情況不符[11]。因此，該機(jī)理并不能完全解釋聲波團(tuán)聚作用。

1.1.2 流體力學(xué)作用機(jī)理

流體力學(xué)作用理論是基于顆粒與介質(zhì)間的黏性作用，主要有共輻射壓、共散射和聲波尾流三種作用模式，該機(jī)理可以很好地解釋單分散相氣溶膠聲波團(tuán)聚現(xiàn)象的發(fā)生[12]。

共輻射壓作用與共散射作用都是基于聲波的二次效應(yīng)，其中共輻射壓作用需要粒子在十分靠近時(shí)才能體現(xiàn)其作用。Gonzalez等[13]在實(shí)驗(yàn)中顯示了該效應(yīng)存在著“虛假團(tuán)聚”的情況，并不能作為團(tuán)聚機(jī)理。共散射作用在Song等[14]的聲波數(shù)值改進(jìn)模型中，被發(fā)現(xiàn)對(duì)低頻或小顆粒而言影響很小，而Hoffman等[15]在理論計(jì)算中證實(shí)了共散射作用在聲波團(tuán)聚中是微不足道的，可以忽略不計(jì)。

與上述兩種機(jī)理相比，聲波尾流效應(yīng)是較為成熟的一種機(jī)理。聲波尾流效應(yīng)模型由Dianov等[16]提出，該理論是根據(jù)Oseen流動(dòng)條件下粒子周圍的流場(chǎng)不對(duì)稱所建立的，即當(dāng)兩個(gè)前后相鄰的粒子處在聲場(chǎng)中受到聲波的擾動(dòng)而發(fā)生運(yùn)動(dòng)時(shí)，前面粒子會(huì)在其身后形成低壓尾流區(qū)域，而后面的粒子處于該區(qū)域中，運(yùn)動(dòng)所受的阻力減小，速度隨之增大，兩粒子相互靠近。在聲波的下半個(gè)周期中，兩者間的地位發(fā)生互換，但是依然表現(xiàn)出相互接近的趨勢(shì)，兩粒子在經(jīng)過幾個(gè)周期后發(fā)生碰撞并團(tuán)聚。

1.1.3 現(xiàn)有機(jī)理存在的不足

除上述兩種主要的聲波團(tuán)聚機(jī)理外，學(xué)者提出的機(jī)理還包括布朗團(tuán)聚[17]、聲致湍流[18]等作用。但是現(xiàn)有機(jī)理都存在著不足之處，其中同向團(tuán)聚作用與聲波尾流作用都是建立在聲波振動(dòng)的觀點(diǎn)上的，布朗團(tuán)聚建立在分子熱運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)上，這是僅從微觀角度來說明氣溶膠發(fā)生聲波團(tuán)聚的情況，未考慮氣溶膠的宏觀運(yùn)動(dòng)。在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)在高強(qiáng)聲波作用下，團(tuán)聚室中的聲流會(huì)對(duì)氣溶膠產(chǎn)生宏觀作用，有時(shí)聲流速度能達(dá)到數(shù)米每秒，并且在高強(qiáng)聲場(chǎng)中還會(huì)產(chǎn)生聲渦，因此有必要對(duì)這兩種現(xiàn)象進(jìn)行研究。

1.2 聲流與聲渦

當(dāng)介質(zhì)受強(qiáng)聲波作用時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一種非周期性的平穩(wěn)流動(dòng)過程，這種流動(dòng)過程稱為聲流[19]。Rayleigh[20]首先對(duì)Kundt管中的聲流現(xiàn)象進(jìn)行了理論分析，為聲流問題的研究建立了基礎(chǔ)。Mitome[21]經(jīng)過理論分析與實(shí)驗(yàn)后，提出聲流現(xiàn)象與聲場(chǎng)的空間不均勻性及流體的黏滯力有關(guān)。聲流由于其所攜帶聲波能量的特性被廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)、粒子操控以及清潔環(huán)保上。

聲渦是一種具有螺旋形相位位錯(cuò)的渦旋場(chǎng)，是聲波在特定情況下形成的帶有軌道角動(dòng)量的一種渦旋[22]。自Lighthil[23]最早提出流體聲學(xué)機(jī)理方程以來，眾多學(xué)者對(duì)旋渦與聲波以及湍流間的相互作用進(jìn)行研究，其中Powell[24]通過引入渦量將渦與聲用數(shù)學(xué)方法聯(lián)系在了一起，并在隨后的實(shí)驗(yàn)中揭示出了聲波與聲渦間存在著能量轉(zhuǎn)換，聲渦是聲波在流場(chǎng)中的主要表現(xiàn)形式之一。

聲流與聲渦均是由流場(chǎng)中聲波的非線性效應(yīng)產(chǎn)生的，值得注意的是兩者是同時(shí)存在并發(fā)生作用的，均能使能量發(fā)生傳遞，在聲波團(tuán)聚中發(fā)揮著重要的作用，其中聲流所產(chǎn)生的切應(yīng)力促使粒子發(fā)生碰撞團(tuán)聚，而聲渦攜帶的聲學(xué)軌道角動(dòng)量作用于粒子，促進(jìn)聲波氣溶膠發(fā)生旋轉(zhuǎn)與集聚。

2 實(shí)驗(yàn)裝置及方法

2.1 聲波團(tuán)聚裝置

聲波團(tuán)聚實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示，由團(tuán)聚室、聲源系統(tǒng)、聲測(cè)量系統(tǒng)、激光測(cè)試系統(tǒng)、氣溶膠發(fā)生系統(tǒng)、聲流測(cè)試系統(tǒng)及粒子圖像測(cè)試系統(tǒng)組成。

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental set-up

團(tuán)聚室是聲波團(tuán)聚的主要場(chǎng)所，由內(nèi)徑100 mm、高度300 mm的玻璃管制成。實(shí)驗(yàn)時(shí)由信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生正弦信號(hào)經(jīng)過功率放大器放大，進(jìn)入驅(qū)動(dòng)式壓縮器后產(chǎn)生聲波并經(jīng)由號(hào)角輸入團(tuán)聚室內(nèi)，利用型號(hào)為AWA5661的聲級(jí)計(jì)對(duì)聲壓級(jí)進(jìn)行測(cè)量。通過調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器及功率放大器可實(shí)現(xiàn)聲波頻率和聲壓級(jí)連續(xù)可調(diào)。

2.2 聲流測(cè)試系統(tǒng)與方法

聲流測(cè)試系統(tǒng)由聲源系統(tǒng)與熱線風(fēng)速儀組成，熱線風(fēng)速儀可對(duì)團(tuán)聚室內(nèi)的聲流速度進(jìn)行測(cè)量[25]，實(shí)驗(yàn)過程中通過調(diào)整信號(hào)發(fā)生器與功率放大器的參數(shù)以及熱線風(fēng)速儀在團(tuán)聚室中的位置，可測(cè)得改變頻率、聲壓級(jí)以及團(tuán)聚室內(nèi)不同空間位置時(shí)的聲流速度變化。

2.3 粒子圖像測(cè)速系統(tǒng)與方法

粒子圖像測(cè)速系統(tǒng)（Particle Image Velocimetry,PIV）的主要原理是利用工業(yè)相機(jī)在連續(xù)時(shí)刻內(nèi)拍攝及記錄示蹤粒子的位置，之后由計(jì)算機(jī)的圖像處理系統(tǒng)得到示蹤粒子的速度，并通過對(duì)大量粒子的速度分析得到流體速度場(chǎng)。

實(shí)驗(yàn)時(shí)將團(tuán)聚室垂直放置，采用的示蹤粒子粒徑大小范圍為1～10 μm，跟隨性較好，線狀激光光源在團(tuán)聚室中形成散射平面，工業(yè)相機(jī)放置于團(tuán)聚室正上方，拍攝到的圖像即為示蹤粒子平面。依次改變聲波的頻率、聲壓級(jí)和測(cè)點(diǎn)位置，觀察流場(chǎng)中聲渦及示蹤粒子的微團(tuán)大小變化，得到聲渦對(duì)團(tuán)聚效果的影響。

2.4 氣溶膠發(fā)生及濃度測(cè)量系統(tǒng)與方法

測(cè)試氣溶膠由水和丙三醇的混合物為原料，經(jīng)由熱霧機(jī)生成高溫蒸汽之后在環(huán)境中冷凝形成，隨后通過真空泵導(dǎo)入到團(tuán)聚室中。利用 FA-3撞擊式氣溶膠采樣儀測(cè)量液滴的初始粒徑分布，這是一種基于慣性撞擊原理的多級(jí)多孔聯(lián)級(jí)式撞擊器。當(dāng)氣溶膠以一定的速度流經(jīng)收集板時(shí)，不同粒徑的液滴顆粒慣性不同，大顆粒被收集板收集，小顆粒氣流跟隨性較好，進(jìn)入下一級(jí)。FA-3型氣溶膠采樣儀分為8級(jí)，粒徑測(cè)量范圍為0.4～10 μm。測(cè)量的結(jié)果如圖2所示，顆粒的粒徑分布特點(diǎn)通常利用幾何分布加以描述，即dN/d（lg d）隨lgd的變化，其中d表示顆粒直徑。d是液滴顆粒的粒徑；N是顆粒數(shù)目濃度，dN表示單位體積內(nèi)尺寸為lgd到lg d+d（lg d）之間的顆粒數(shù)目，且由于顆粒粒徑分布范圍較廣，一般使用對(duì)數(shù)坐標(biāo)?？梢姶蟛糠忠旱蔚牧叫∮?.5 μm，線性平均粒徑約為1.0 μm。

圖2 氣溶膠初始粒徑分布Fig.2 Initial particle size distribution of aerosol droplets

團(tuán)聚室內(nèi)的液滴實(shí)時(shí)濃度測(cè)量由激光測(cè)試系統(tǒng)完成，光源是波長(zhǎng)為650 nm、功率為30 mW的點(diǎn)狀激光光源，感光系統(tǒng)為量程40 mW的激光功率計(jì)，其采樣頻率可達(dá)2次·s-1，可實(shí)時(shí)采集通過團(tuán)聚室的激光強(qiáng)度，經(jīng)過轉(zhuǎn)換后得到氣溶膠的透光率與體積質(zhì)量濃度。

氣溶膠的實(shí)時(shí)透光率由式（1）得出：

式中：Tt為t時(shí)刻時(shí)氣溶膠透光率；It為t時(shí)刻透過氣溶膠的激光光強(qiáng)；It=0s為團(tuán)聚室內(nèi)無氣溶膠時(shí)的激光光強(qiáng)（mW）。

實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，氣溶膠初始透光率接近0，無聲波作用時(shí)團(tuán)聚室內(nèi)的氣溶膠能維持較長(zhǎng)時(shí)間不發(fā)生消散。在高強(qiáng)聲波作用下，氣溶膠發(fā)生團(tuán)聚，顆粒數(shù)目減少，透光率提高。這時(shí)團(tuán)聚室內(nèi)氣溶膠的體積濃度，可根據(jù)Manoucheri等[9]給出的氣溶膠透光率與體積分?jǐn)?shù)關(guān)系式得出：

式中：Vt為聲波作用t時(shí)刻團(tuán)聚室內(nèi)液滴的體積分?jǐn)?shù)；Vt=0s為初始時(shí)液滴顆粒的體積分?jǐn)?shù)；Tt=0s為團(tuán)聚室內(nèi)初始透光率。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 聲流對(duì)團(tuán)聚的作用

3.1.1 不同頻率下的聲流速度

圖3為不同頻率下團(tuán)聚室內(nèi)的聲流速度，實(shí)驗(yàn)中分別保持聲壓級(jí)為135、138、140 dB，熱線風(fēng)速儀放置在團(tuán)聚室中的波腹位置并固定。由圖3可見，在0～1 kHz時(shí)聲流速度出現(xiàn)了兩個(gè)峰值，在5 kHz附近也出現(xiàn)了峰值，這說明在低頻與高頻時(shí)聲流速度都較大。

圖3 頻率與聲流速度之間的關(guān)系Fig.3 The relationship between frequency and acoustic streaming velocity

在聲波團(tuán)聚的實(shí)驗(yàn)中頻率對(duì)團(tuán)聚效果同樣也有影響，圖4是聲壓級(jí)為148 dB時(shí)，液滴氣溶膠濃度在不同頻率條件下的變化規(guī)律，其中Mt為聲波作用t后的液滴質(zhì)量濃度，Mt=0s為初始液滴質(zhì)量濃度。由圖4可見，當(dāng)頻率為6 kHz時(shí)聲波團(tuán)聚效果最好、團(tuán)聚速度最快，而頻率為1 kHz時(shí)雖然前期效果不是很理想，但是最終達(dá)到了較好的團(tuán)聚效果。

圖4 不同頻率時(shí)液滴氣溶膠濃度變化Fig.4 Temporal evolution of aerosol concentration at different frequencies

圖5為不同頻率下聲波團(tuán)聚效率的比較圖，定義聲波團(tuán)聚10 s時(shí)氣溶膠質(zhì)量濃度減少的百分比為團(tuán)聚效率ηt=10s，ηt=10s可由下列公式計(jì)算得到：

圖5 頻率與聲波團(tuán)聚效率的關(guān)系Fig.5 The relationship between frequency and acoustic agglomeration efficiency

式中：Mt=10s是液滴氣溶膠在聲波作用10 s后的質(zhì)量濃度；Mt=0s為初始液滴質(zhì)量濃度。

圖5表明，在聲波作用10 s后，團(tuán)聚效率在1.5 kHz低頻與6 kHz高頻條件下出現(xiàn)了兩個(gè)峰值，圖3中低頻與高頻同樣也出現(xiàn)了速度峰值的情況。分析認(rèn)為，低頻時(shí)由于頻率較低，聲振速與聲波振幅較大，此時(shí)聲流現(xiàn)象較為顯著，聲流所產(chǎn)生的切向力使得氣溶膠粒子發(fā)生運(yùn)動(dòng)碰撞團(tuán)聚；隨著頻率的提高，聲流作用開始減弱，聲渦對(duì)氣溶膠粒子的團(tuán)聚效果開始增強(qiáng)，并在高頻聲波條件下占主導(dǎo)作用。

3.1.2 聲壓級(jí)的影響

圖6是保持團(tuán)聚室內(nèi)頻率分別為0.4、0.8、5.0 kHz不變時(shí)，改變聲壓級(jí)測(cè)得的聲流速度。如圖6所示，聲流速度隨聲壓級(jí)的提高而增大，且高頻條件下聲流速度增加得更快，頻率為5 kHz、聲壓級(jí)為142 dB時(shí)聲流速度甚至能達(dá)到5 m·s-1，這是由于隨著聲壓級(jí)的提高，聲波所攜帶的能量也越大，并且?guī)缀跛械奈墨I(xiàn)中都表明當(dāng)聲壓級(jí)越大時(shí)，聲波團(tuán)聚的效果也越好，聲流現(xiàn)象亦是如此。

圖6 聲流速度與聲壓級(jí)之間的關(guān)系Fig.6 Relationship between acoustic streaming velocity and sound pressure level

3.1.3 聲場(chǎng)不同位置的影響

圖7是聲波頻率為5 kHz、聲壓級(jí)為148 dB時(shí)，改變熱線風(fēng)速儀在團(tuán)聚室中的垂直距離時(shí)所測(cè)得的聲流速度，λ為波長(zhǎng)。由圖7可見，在波腹處的聲流速度最大。并且在實(shí)驗(yàn)中觀察到顆粒在波腹的團(tuán)聚速度較快，顆粒數(shù)較少，而波節(jié)團(tuán)聚速度慢，表現(xiàn)為顆粒數(shù)多于波腹。

圖7 聲場(chǎng)中不同位置處的聲流速度Fig.7 Acoustic streaming velocities at different positions in sound field

3.2 聲渦微觀測(cè)試結(jié)果

3.2.1 不同頻率下的聲渦

如圖8所示是在聲壓級(jí)均為135 dB，頻率分別在 1、3、5、7 kHz的條件下，團(tuán)聚室內(nèi)的速度場(chǎng)情況。整體而言，團(tuán)聚室內(nèi)流場(chǎng)在各頻率聲波作用下均出現(xiàn)不同程度的擾動(dòng)，空氣介質(zhì)產(chǎn)生的軌道角動(dòng)量將能量傳遞給顆粒使其發(fā)生旋轉(zhuǎn)。在1 kHz低頻時(shí)，整個(gè)視窗內(nèi)的顆粒總體速度較小，在1 m·s-1左右，形成的渦旋相位分布半徑較大，顆粒大部分做半徑較大的圓周運(yùn)動(dòng)。當(dāng)頻率升高時(shí)，整個(gè)視窗內(nèi)的顆粒整體速度逐漸提高，聲渦現(xiàn)象愈加明顯，直至在7 kHz時(shí)整個(gè)視窗內(nèi)的顆粒平均速度達(dá)到3～4 m·s-1的水平，并出現(xiàn)了一個(gè)直徑約為5 mm的漩渦。圖像的結(jié)果表明，當(dāng)頻率升高時(shí)聲渦現(xiàn)象更明顯，顆粒更傾向于在小范圍內(nèi)發(fā)生圓周運(yùn)動(dòng)及無規(guī)則自旋運(yùn)動(dòng)，這可以解釋聲波團(tuán)聚實(shí)驗(yàn)中高頻條件下更容易產(chǎn)生餅狀懸浮體圓盤的現(xiàn)象[9]。

圖8 聲波頻率對(duì)聲渦的影響Fig.8 The effect of sound frequency on sound vortex

另外，該實(shí)驗(yàn)結(jié)果與圖5中高頻時(shí)團(tuán)聚效果更佳的情況也相符，分析認(rèn)為這是由于頻率較高時(shí)聲波的波長(zhǎng)較短，形成的渦旋相位分布半徑較小，產(chǎn)生的力矩較大，顆粒更容易被驅(qū)動(dòng)，此時(shí)顆粒更傾向于做半徑較小的圓周運(yùn)動(dòng)并且有些顆粒發(fā)生了無規(guī)則自旋現(xiàn)象，聲渦傳遞的能量更集中，團(tuán)聚現(xiàn)象也更明顯。

3.2.2 不同聲壓級(jí)時(shí)的聲渦

圖9為聲波頻率在1 kHz時(shí)，改變聲壓級(jí)測(cè)得的流場(chǎng)圖。當(dāng)聲壓級(jí)為133 dB時(shí)視圖中的流場(chǎng)速度較小，但空氣介質(zhì)產(chǎn)生的軌道角動(dòng)量已經(jīng)可使氣溶膠顆粒發(fā)生與聲波傳播方向垂直的圓周運(yùn)動(dòng)與無規(guī)則自旋。隨著聲壓級(jí)的提高，流場(chǎng)中的整體速度也提高了。在142 dB時(shí)，整個(gè)視窗中的顆粒平均速度達(dá)到3 m·s-1的水平，這時(shí)氣體介質(zhì)攜帶的角動(dòng)量較高，顆粒的圓周運(yùn)動(dòng)也不局限在一個(gè)平面上，并且發(fā)生了湍流運(yùn)動(dòng)。

圖9 聲壓級(jí)對(duì)聲渦的影響Fig.9 The effect of sound pressure level on sound vortex

3.2.3 聲場(chǎng)不同位置處的聲渦

圖10是聲波頻率為5 kHz時(shí)，聲壓級(jí)分別為141 dB和145 dB的條件下，團(tuán)聚室內(nèi)的波節(jié)與波腹的流場(chǎng)圖。通過兩個(gè)聲壓級(jí)的波節(jié)波腹比較，可見波腹處的顆粒整體速度可達(dá)3 m·s-1，而波節(jié)處的速度范圍大多處于2 m·s-1，波腹的氣體整體流速大于波節(jié)，動(dòng)能較大，氣體介質(zhì)所攜帶的軌道角動(dòng)量更易使氣溶膠產(chǎn)生聲渦，團(tuán)聚效果也更好。這與聲波團(tuán)聚實(shí)驗(yàn)中波腹處的透光率高于波節(jié)處的現(xiàn)象也相符。

圖10 聲場(chǎng)中不同位置的聲渦情況Fig.10 Sound vortexes at different positions in sound field

4 結(jié) 論

本文首次提出了基于聲流與聲渦的細(xì)顆粒物微觀團(tuán)聚機(jī)理，并得到了下列結(jié)論：

（1）聲流與聲渦對(duì)聲波團(tuán)聚會(huì)產(chǎn)生明顯的促進(jìn)作用，聲流或聲渦越強(qiáng)，團(tuán)聚效果也更佳。

（2）在1 kHz低頻與5 kHz高頻時(shí)，觀察到聲流現(xiàn)象較為明顯，其產(chǎn)生的切應(yīng)力使氣溶膠顆粒發(fā)生碰撞團(tuán)聚；在7 kHz高頻時(shí)觀察到明顯的漩渦，此時(shí)聲渦力矩較大，其產(chǎn)生的軌道角動(dòng)量驅(qū)動(dòng)顆粒發(fā)生圓周和自旋運(yùn)動(dòng)，促進(jìn)粒子發(fā)生團(tuán)聚。

（3）當(dāng)聲壓級(jí)大于132 dB時(shí)，聲渦團(tuán)聚開始發(fā)揮作用，與聲流一起促進(jìn)顆粒團(tuán)聚，且聲壓級(jí)越大團(tuán)聚效果越明顯。

（4）波腹處的聲流速度比波節(jié)更大，聲渦現(xiàn)象更明顯，團(tuán)聚效果也更好。