亚洲免费av电影一区二区三区,日韩爱爱视频,51精品视频一区二区三区,91视频爱爱,日韩欧美在线播放视频,中文字幕少妇AV,亚洲电影中文字幕,久久久久亚洲av成人网址,久久综合视频网站,国产在线不卡免费播放

        ?

        基于Fluent對(duì)超聲波驅(qū)動(dòng)下聲致毛細(xì)效應(yīng)的研究

        2022-10-30 01:42:50叢玉琪
        中阿科技論壇(中英文) 2022年10期
        關(guān)鍵詞:效應(yīng)

        叢玉琪

        (華東理工大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,上海 200237)

        超聲波驅(qū)動(dòng)下的聲致毛細(xì)效應(yīng),即在超聲波作用下,毛細(xì)管中液體上升高度增加的現(xiàn)象,一直是研究者關(guān)注的焦點(diǎn),并由此延出了多種應(yīng)用。已有研究表明,空化效應(yīng)在聲致毛細(xì)效應(yīng)的產(chǎn)生過(guò)程中起著至關(guān)重要的作用。由于置于超聲波場(chǎng)中的液體會(huì)因被壓縮而產(chǎn)生空化氣泡簇,當(dāng)空化氣泡簇破碎時(shí)會(huì)產(chǎn)生壓力脈沖,導(dǎo)致定向沖流,對(duì)毛細(xì)管端面施以力的作用,從而引起聲致毛細(xì)效應(yīng)[1]。根據(jù)現(xiàn)有文獻(xiàn),長(zhǎng)谷川等(2008)只在實(shí)驗(yàn)中研究了間隙(毛細(xì)管管口距超聲波聲源處的距離)大于100 μm的聲致毛細(xì)效應(yīng),認(rèn)為液體上升高度隨著毛細(xì)管管徑的增加而降低,沒(méi)有發(fā)現(xiàn)峰值,也沒(méi)有進(jìn)行數(shù)值模擬[2];和田有司等(2016)只模擬了超聲波泵,由于數(shù)據(jù)步長(zhǎng)較大,得出的結(jié)論是間隙越大,液體上升高度越大,沒(méi)有發(fā)現(xiàn)峰值[3],同時(shí)沒(méi)有與實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比,建立的模型過(guò)于復(fù)雜,消耗過(guò)多的計(jì)算資源和時(shí)間,不適于日常應(yīng)用與推廣;孫冰(2008)、楊日福等(2018)、劉為(2020)均利用計(jì)算流體力學(xué)仿真技術(shù)在超聲波空化效應(yīng)方面進(jìn)行了數(shù)值模擬[4-6],但未對(duì)聲致毛細(xì)效應(yīng)進(jìn)行研究。目前還沒(méi)有以模擬為主,實(shí)驗(yàn)為輔,從模擬和實(shí)驗(yàn)兩方面開展毛細(xì)管中液體上升性能研究的文獻(xiàn)。

        改變毛細(xì)管管口距超聲波聲源處的間隙、毛細(xì)管管徑、超聲波頻率、液體性質(zhì),空化效應(yīng)的強(qiáng)度會(huì)發(fā)生改變,毛細(xì)管中液體的上升高度也隨之改變??梢灶A(yù)期,超聲波對(duì)毛細(xì)管中液體的提升效果與毛細(xì)管管徑、毛細(xì)管管口距超聲波聲源處的間隙大小和液體性質(zhì)等有關(guān)。

        本文基于前人研究,通過(guò)理論分析,利用Fluent軟件對(duì)聲致毛細(xì)效應(yīng)展開更為全面細(xì)致的研究,對(duì)間隙在0~1 000 μm范圍內(nèi),模擬得到不同管徑的毛細(xì)管、不同頻率、不同液體性質(zhì)的條件下毛細(xì)管中液體的(0.2 s)內(nèi)液面上升的高度,并換算成每分鐘的流量,由此探究其對(duì)聲致毛細(xì)效應(yīng)的影響,以得到最優(yōu)化的超聲波作用下毛細(xì)管中液體上升性能,進(jìn)而結(jié)合實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證,并提出可能的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用。

        1 仿真模型及方案

        為了進(jìn)一步研究超聲空化效應(yīng)導(dǎo)致的聲致毛細(xì)效應(yīng),優(yōu)化液體上升性能,根據(jù)李久會(huì)等(2001)的模型[7]設(shè)計(jì)了模擬超聲波驅(qū)動(dòng)下聲致毛細(xì)效應(yīng)裝置(見圖1)。

        圖1 模擬超聲波驅(qū)動(dòng)下聲致毛細(xì)效應(yīng)裝置CAD圖.

        模擬超聲波驅(qū)動(dòng)下聲致毛細(xì)效應(yīng)裝置包括150 cm長(zhǎng)的毛細(xì)管、30 cm×40 cm的不銹鋼水槽、超聲波換能器、導(dǎo)線、THD-T1超聲波發(fā)生器。以25 kHz頻率的超聲波發(fā)生器為源,使用對(duì)應(yīng)的25 kHz超聲波換能器,采用內(nèi)徑1 mm、外徑3 mm的毛細(xì)管,模擬液體種類為純水,后續(xù)根據(jù)模擬的要求會(huì)改變液體黏度系數(shù),作為改變液體的種類的實(shí)質(zhì)。

        利用Fluent軟件,以毛細(xì)管管口距超聲波聲源處的間隙(下文統(tǒng)稱“間隙”)為自變量,分別改變超聲波頻率、毛細(xì)管內(nèi)徑,模擬在超聲波作用下超聲波聲源處及毛細(xì)管內(nèi)部液體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),得到毛細(xì)管中液體流量指標(biāo),來(lái)探究聲致毛細(xì)效應(yīng)的最佳性能。

        2 VOF理論分析

        依據(jù)Fluent軟件中的VOF多相流模型,考慮由不可壓縮流體構(gòu)成的流動(dòng)體系,動(dòng)量控制的Navier-Stokes方程可以寫為

        3 模擬過(guò)程及結(jié)果分析

        3.1 幾何模型及網(wǎng)格劃分

        為了節(jié)省計(jì)算成本,在保證計(jì)算精度的基礎(chǔ)上采用二維模型,如圖2所示。在CAD軟件中建立的模型寬為40 cm,其中毛細(xì)管高150 cm。

        圖2 實(shí)驗(yàn)裝置二維模型示意圖

        容器水槽的頂部及毛細(xì)管管口設(shè)置為壓力出口,底部設(shè)置為普通壁面。查閱資料以及研究超聲波的特性,采用動(dòng)網(wǎng)格模型(Dynamic Mesh)的方法編寫自定義UDF函數(shù)文件,引入Fluent提供的宏DEFINE_CG_MOTION,根據(jù)聲波特點(diǎn),以正弦式(考慮毛細(xì)管中的聲場(chǎng)方程,將豎直方向取為x軸,由于聲場(chǎng)滿足波動(dòng)方程,可將平面波表示為,在實(shí)際使用時(shí)本文均采用實(shí)部部分,即可用正余弦函數(shù)描述)運(yùn)動(dòng)模擬高頻超聲波在水槽底部的運(yùn)動(dòng)以及空化效應(yīng)對(duì)液面高度的影響。網(wǎng)格再生方法采用彈性光順Smoothing,使網(wǎng)格質(zhì)量提高,根據(jù)實(shí)驗(yàn)的情況選擇合適的網(wǎng)格大小、數(shù)量,過(guò)大、過(guò)小都會(huì)影響到計(jì)算,同時(shí)調(diào)整控制參數(shù)。網(wǎng)格數(shù)量超過(guò)46萬(wàn),使網(wǎng)格質(zhì)量高于0.98,考慮到計(jì)算資源、時(shí)間成本等問(wèn)題,未選擇過(guò)密的網(wǎng)格數(shù)量,現(xiàn)今網(wǎng)格數(shù)量、質(zhì)量已能滿足計(jì)算準(zhǔn)確性的要求。

        3.2 邊界條件及求解

        在Fluent中選擇瞬態(tài),加入重力Y方向的加速度。本實(shí)驗(yàn)中涉及氣相和液相相互作用,目前用于研究多相流的方法有歐拉-歐拉方法和歐拉-拉格朗日方法。在Fluent中一共有三種歐拉-歐拉多相流模型,即VOF(Volume of Fluid)模型、混合物(Mixture)模型和歐拉(Eulerian)模型,本模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)合空化問(wèn)題的特點(diǎn)以及本實(shí)驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu),同時(shí)關(guān)注了液面的變化情況,選用VOF(Volume of Fluid)模型。邊界條件與mesh網(wǎng)格劃分的設(shè)置相吻合。采用動(dòng)態(tài)層的方法,激活動(dòng)網(wǎng)格,引入編寫的C程序文件。動(dòng)量設(shè)置采用Second Order Upwind方法。求解方法選用雙精度算法,設(shè)置迭代步長(zhǎng)2 000。觀察到隨著迭代時(shí)間的增加,模擬得到的毛細(xì)管液面沿水平方向各點(diǎn)的高度均趨于平穩(wěn),且相差不大。計(jì)算得到毛細(xì)管液面沿水平方向各點(diǎn)的高度數(shù)值圖(見圖3)。

        圖3 毛細(xì)管液面沿水平方向各點(diǎn)的高度數(shù)值圖

        3.3 結(jié)果分析

        由于模型的高寬比過(guò)大,給計(jì)算帶來(lái)了很大的難度,在充分考慮計(jì)算資源、實(shí)驗(yàn)?zāi)M的目的之后,將原來(lái)求解液面在毛細(xì)管中上升的最高高度,轉(zhuǎn)變?yōu)榍蠼庀嗤瑢?shí)驗(yàn)時(shí)間(0.2 s)內(nèi)液面上升的高度,并換算成每分鐘的流量。

        3.3.1 改變間隙對(duì)聲致毛細(xì)效應(yīng)的影響

        第一組模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)置毛細(xì)管內(nèi)徑為1 mm,改變毛細(xì)管管口距超聲波聲源處的間隙為0 μm、10 μm、20 μm、30 μm、40 μm、50 μm、60 μm、70 μm、80 μm、90 μm、100 μm、200 μm、300 μm、400 μm、500 μm、600 μm、700 μm、800 μm、900 μm、1 000 μm,得出流量結(jié)果,算出平均值并保存。如圖4所示,將不同間隙下模擬得到的流量數(shù)值擬合成一條連續(xù)的曲線,可以明顯看到,內(nèi)徑為1 mm毛細(xì)管的流量在50 μm處取得極大值,之后隨著間隙增大流量逐漸減少,在間隙大于200 μm之后趨近穩(wěn)定。

        圖4 間隙-流量關(guān)系及其擬合曲線

        3.3.2 毛細(xì)管管徑對(duì)聲致毛細(xì)效應(yīng)的影響

        第二組和第三組分別設(shè)置毛細(xì)管內(nèi)徑為0.8 mm、0.6 mm,僅為了觀察趨勢(shì),簡(jiǎn)化取600 μm以內(nèi)的間隙點(diǎn),得到結(jié)果算出平均值并保存。將三組結(jié)果匯總到一張圖中(見圖5),可以明顯看到除了與上文一致的毛細(xì)管流量隨間隙變化趨勢(shì),同時(shí)在全間隙范圍內(nèi),內(nèi)徑0.8 mm毛細(xì)管的每分鐘流量均大于內(nèi)徑為0.6 mm和1.0 mm的兩種毛細(xì)管,內(nèi)徑為0.6 mm毛細(xì)管的每分鐘流量為三種毛細(xì)管中最小的。

        圖5 不同管徑下流量-間隙關(guān)系及其擬合曲線

        3.3.3 超聲波頻率對(duì)聲致毛細(xì)效應(yīng)的影響

        控制毛細(xì)管管徑(內(nèi)徑1 mm)不變,改變C程序文件中正弦式的幅度,分別模擬計(jì)算20 kHz、25 kHz、28 kHz三種超聲波頻率作用下流量的大小,得到結(jié)果并保存。將三組結(jié)果匯總到一張圖上,并將不同間隙下測(cè)得的流量擬合成一條連續(xù)的曲線,如圖6所示,可得到除上文中的規(guī)律之外,超聲波頻率與液體上升高度呈正相關(guān),聲致毛細(xì)效應(yīng)效果隨超聲波頻率增大逐漸增強(qiáng)。

        圖6 不同頻率下液體上升高度-間隙關(guān)系及其擬合曲線

        3.3.4 液體性質(zhì)對(duì)聲致毛細(xì)效應(yīng)的影響

        通過(guò)改變液體表面張力系數(shù),來(lái)探究液體性質(zhì)對(duì)聲致毛細(xì)效應(yīng)的影響。在Fluent軟件參數(shù)設(shè)置界面增大黏度系數(shù),模擬得到在內(nèi)徑1 mm、外徑3 mm的毛細(xì)管內(nèi),間隙為50 μm時(shí),25 kHz超聲波驅(qū)動(dòng)頻率下的流量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果為隨著黏度系數(shù)增大,混合液的表面張力系數(shù)減小,隨著液體表面張力的降低,氣泡的能量和破裂速率降低,由空化產(chǎn)生的累積射流的能量和速度降低,這些射流在毛細(xì)管管口控制超聲波對(duì)液體的作用,使得毛細(xì)管管口的壓力減小,流量也隨之降低。理論和模擬結(jié)果相印證。

        4 試驗(yàn)輔助驗(yàn)證及應(yīng)用

        4.1 試驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果

        根據(jù)在Fluent軟件中建立的模型,現(xiàn)場(chǎng)搭建的試驗(yàn)裝置繪制的CAD圖(見圖7)。測(cè)量液體上升高度的試驗(yàn)裝置包括WSM-200邁克爾遜干涉儀、干涉儀支架、實(shí)驗(yàn)臺(tái)、水箱、超聲波換能器、導(dǎo)線、超聲波傳感器、超聲波發(fā)生器。毛細(xì)管穿過(guò)工作臺(tái)上的3.5 mm孔洞,孔洞起到固定作用,以減弱毛細(xì)管晃動(dòng)。用軟管導(dǎo)出液體至量筒中以測(cè)定流量。為了實(shí)現(xiàn)10 μm級(jí)的調(diào)距,僅利用干涉儀的機(jī)械裝置結(jié)構(gòu),采用熱熔膠將毛細(xì)管固定到干涉儀的導(dǎo)軌上,通過(guò)調(diào)節(jié)其粗調(diào)及微調(diào)手輪,即可實(shí)現(xiàn)10 μm級(jí)步長(zhǎng)的間隙變化。

        圖7 流量測(cè)量試驗(yàn)裝置CAD圖

        調(diào)節(jié)干涉儀微調(diào)手輪使毛細(xì)管觸底,待流出的液滴穩(wěn)定后開始記錄數(shù)據(jù)。分別記錄間隙為0 μm、10 μm、20 μm、30 μm、40 μm、50 μm、60 μm、70 μm、80 μm、90 μm、100 μm、200 μm、300 μm、400 μm、500 μm、600 μm、700 μm、800 μm、900 μm、1000 μm時(shí) 每分鐘的流量,同一間隙下記錄6組數(shù)據(jù),求平均值后得到結(jié)果。

        在頻率為25 kHz,毛細(xì)管內(nèi)徑1 mm、外徑3 mm的情況下改變間隙,將不同間隙下測(cè)得的流量擬合成一條連續(xù)的曲線,如圖8所示。發(fā)現(xiàn)間隙在50 μm左右流量出現(xiàn)明顯峰值,之后隨著間隙增大,流量逐漸減少,在間隙大于200 μm之后趨于穩(wěn)定。

        圖8 試驗(yàn)中間隙-流量關(guān)系及其擬合曲線

        可以從圖8明顯看到頻率為25 kHz,毛細(xì)管內(nèi)徑1 mm、外徑3 mm條件下試驗(yàn)結(jié)果的變化趨勢(shì)與模擬仿真結(jié)果相互印證,再改變超聲波的頻率、毛細(xì)管管徑和液體表面張力系數(shù),流量變化趨勢(shì)與Fluent軟件中模擬的趨勢(shì)大致相同。

        4.2 可能的應(yīng)用

        超聲波驅(qū)動(dòng)下的聲致毛細(xì)效應(yīng)可作為空化效應(yīng)的外在表征形式,而超聲空化效應(yīng)可應(yīng)用于清洗各種工業(yè)設(shè)備,例如光學(xué)防抖模組CASE部品[8],提高CASE的清洗效果和效率,降低不合格率、勞動(dòng)強(qiáng)度,同時(shí)也能夠提升這一清洗工程的作業(yè)安全性,減少對(duì)設(shè)備表面的擦傷;清洗手術(shù)器械,應(yīng)用于消毒供應(yīng)產(chǎn)業(yè),可有效提高器械清洗的合格率,減少器械上生物膜細(xì)菌數(shù)[9];應(yīng)用于太陽(yáng)能多晶硅片清洗,具有操作便捷、清洗效果顯著、清洗時(shí)間短暫、成本相對(duì)偏低、節(jié)能環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)。

        5 結(jié)語(yǔ)

        現(xiàn)有文獻(xiàn)沒(méi)有詳細(xì)測(cè)量100 μm以內(nèi)的間隙,也沒(méi)有發(fā)現(xiàn)毛細(xì)管中液體上升高度的峰值,缺乏模擬和實(shí)驗(yàn)的相互印證。本文運(yùn)用Fluent軟件,通過(guò)控制變量研究超聲波驅(qū)動(dòng)下的聲致毛細(xì)效應(yīng),發(fā)現(xiàn)當(dāng)間隙為50 μm時(shí),液體上升高度和流速有明顯的峰值,200 μm后緩慢下降。變換毛細(xì)管內(nèi)徑(0.6 mm,0.8 mm,1.0 mm),在發(fā)現(xiàn)以上規(guī)律的基礎(chǔ)上,內(nèi)徑0.8 mm毛細(xì)管的流量最大。在超聲波一定頻率范圍(20 kHz,25 kHz,28 kHz)內(nèi),頻率越高,聲致毛細(xì)效應(yīng)越明顯。通過(guò)將干涉儀垂直放置,利用其自身的機(jī)械結(jié)構(gòu)縮小步長(zhǎng)的方法屬于創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)方法,得到了和模擬相吻合的超聲波驅(qū)動(dòng)下聲致毛細(xì)效應(yīng)的變化規(guī)律。

        猜你喜歡
        效應(yīng)
        鈾對(duì)大型溞的急性毒性效應(yīng)
        懶馬效應(yīng)
        場(chǎng)景效應(yīng)
        雨一直下,“列車效應(yīng)”在發(fā)威
        決不能讓傷害法官成破窗效應(yīng)
        紅土地(2018年11期)2018-12-19 05:10:56
        死海效應(yīng)
        應(yīng)變效應(yīng)及其應(yīng)用
        福建醫(yī)改的示范效應(yīng)
        福建醫(yī)改的示范效應(yīng)
        偶像效應(yīng)
        av免费不卡一区二区| 日韩aⅴ人妻无码一区二区| 国产尤物精品福利视频| 91av视频在线| 亚洲成人黄色av在线观看| 亚洲av推荐网站在线观看| 四虎永久在线精品免费一区二区| 啦啦啦www播放日本观看| 五十路熟妇高熟无码视频| 日韩精品成人无码AV片| 视频在线亚洲视频在线| 欧美激情一区二区三区成人| 精品人妻一区二区三区四区| av资源在线看免费观看| 中文字幕一区二区人妻痴汉电车 | 开心激情视频亚洲老熟女| av中文字幕潮喷人妻系列| 人妻无码中文字幕免费视频蜜桃| 国产精品久久久久久久久久影院| 男女激情视频网站免费在线| 国产福利永久在线视频无毒不卡| 亚洲精品无码高潮喷水在线| 国产精品无码久久AⅤ人妖| 国产精品一区二区三区播放 | 亚洲精品久久国产高清情趣图文| 亚洲日本在线va中文字幕| 日本一区二区三区爱爱视频| 一本精品99久久精品77| 亚洲香蕉成人AV网站在线观看| 国产高潮精品一区二区三区av | 国精产品推荐视频| a在线免费| 亚洲一区亚洲二区中文字幕| 亚洲一区二区三区小说| 色欲aⅴ亚洲情无码av蜜桃| 青青草免费激情自拍视频| 亚洲av免费不卡在线观看| 欧美一区二区三区激情| 国产无码十八禁| 国产人妖在线视频网站| 极品粉嫩嫩模大尺度无码视频 |