超声波在铝熔体中的声场分布和空化效应及其对凝固过程影响

论文摘要

半连续铸造是有色合金工业生产中最重要的铸造工艺之一,它能够实现生产过程自动化、简化工艺流程、节约能源、提高劳动生产率,在现代冶金生产中占有重要的地位并受到广泛的重视。在国内,常规的半连续铸造由于制造工艺等方面的原因,铸锭内部或表面经常产生组织不均匀、铸造应力与裂纹等缺陷,尤其对于传统上难于铸造的高合金大铸锭更是如此。利用超声波细化凝固组织、改善温度场、应力场形态,有利于铝合金成型过程的优化,获得高性能的铸造产品。本论文重点探讨超声波在铝熔体中的传播特性、超声空化效应、超声能量传播机制及功率超声对纯铝凝固过程的影响。论文的主要研究内容包括以下方面:1.根据惠更斯原理,将换能器端面划分为无数细小的面元,采用瑞利积分法,计算出正六边形、正方形、圆形变幅杆端面声场分布情况和各自的声场指向性函数。利用Matlab软件,计算出不同端面形状的变幅杆在不同波数下的声场指向性,得出在不同波数下,不同端面换能器声场指向性的变化规律。并给出在相同的波数和物性条件下,三种换能器声场指向性的比较。2.通过对超声振动系统在铝熔体中导纳特性的分析,研究换能器机械品质因数与声压、声强的相互关系。根据声波折/反射原理,推导出超声波从振动系统传递到工具头与熔体接触界面的声压幅值,同时建立了声压、声强的相关数学模型,讨论在铝熔体中的功率超声的分布情况,并计算出超声波在铝熔体中的声强特征量值。3.研究超声空化在高温铝熔体中作用的基本原理,探讨物理参数对超声空化的影响,建立相关的数学模型,采用Matlab软件对Rayleigh-Plesset方程进行数值计算,研究在高温铝熔体中,超声频率、声压和空化泡的初始平衡半径等对超声空化作用的影响。4.通过Marc软件仿真直径φ300mm纯铝圆铸锭半连铸过程,仿真出二维液穴曲线,结合超声电源和变幅杆,建立声场在铝熔体中分布数学模型,研究和探讨超声波在铝熔体中的传播特性和声场分布规律,分析超声波传播到凝固前沿声波的折反射情况,计算出声压在凝固前沿各点的声压值。并探讨超声波在铝熔体中发生空化效应的行为特征,由声压分布规律,运用Matlab软件,利用差商迭代法,对空化气泡壁运功Rayleigh-Plesset方程进行数值计算,分析在不同初始半径下纯铝超声半连铸发生空化效应的范围,探索空化效应对铝锭组织的影响规律。5.研究在一定超声参数条件下,功率超声对铝熔体凝固过程的影响。着重论述空化效应及其产生的高温高压理论,从而讨论局部高温高压在铝熔体凝固过程中引发的各种效应和动力学问题,并从空化效应、声流效应和力学效应等方面,探讨功率超声对高温铝熔体凝固过程中的作用机理。通过对铝的组织结构的对比分析得出结论:功率超声对高温铝熔体凝固过程是多种效应综合作用的结果。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 超声波应用技术发展概述
• 1.2.1 超声波的特点
• 1.2.2 功率超声的发展史
• 1.2.3 功率超声在工业中应用进展
• 1.3 铝连铸的凝固传统工艺和新型工艺
• 1.3.1 半连铸锭法
• 1.3.2 快速凝固法
• 1.3.3 电磁铸造法
• 1.3.4 超声铸造法
• 1.4 论文课题来源、研究意义及内容安排
• 1.4.1 课题来源
• 1.4.2 课题研究的意义
• 1.4.3 研究内容
• 第二章 超声波在液体中传播与能量传播的热声学理论
• 2.1 引言
• 2.2 超声波在液体中的传播基本原理
• 2.2.1 液体中超声波的基本种类与形式
• 2.2.2 描述声波的特征量
• 2.2.3 超声波的反射与折射
• 2.2.4 超声波的衰减及其原因
• 2.2.5 超声波的散射与绕射
• 2.2.6 超声波的干涉与衍射
• 2.3 功率超声与媒质的作用机制
• 2.3.1 超声波机械效应
• 2.3.2 超声波热效应
• 2.3.3 超声波声流效应
• 2.3.4 超声波空化效应
• 2.4 超声振动系统和换能器的指向特性分析
• 2.4.1 超声振动系统
• 2.4.2 换能器的指向特性
• 2.4.3 三种类型的声源辐射声压指向性对比
• 2.5 本章小结
• 第三章 超声波在铝熔体中的声场特征量分布
• 3.1 引言
• 3.2 换能器在铝熔体中导纳特性的实验研究
• 3.2.1 实验原理与方案
• 3.2.2 试验方法与装置
• 3.2.3 换能器谐振漂移及其机械品质因数试验结果与分析
• 3.3 超声波在变幅杆与铝熔体接触界面的传播
• 3.3.1 机械品质因素与声能、压强的关系
• 3.3.2 界面上声波的折反射
• 3.4 超声波声场特征量数值计算
• 3.4.1 轴线上声场特征量的计算
• 3.4.2 非轴线上声场特征量的计算
• 3.5 本章小结
• 第四章 高温铝熔体中空化气泡演变规律研究
• 4.1 引言
• 4.2 气泡运动方程推导
• 4.2.1 声空化核
• 4.2.2 铝熔体中空化现象简述
• 4.2.3 气泡模型的假设
• 4.2.4 Rayleigh-Plesset方程的推导和近似化简
• 4.3 空化气泡的动力学模拟
• 4.3.1 超声频率对空化气泡动力学影响
• 4.3.2 超声声压对空化气泡动力学影响
• 4.3.3 初始平衡半径对空化气泡动力学影响
• 4.3.4 环境压力对空化气泡动力学影响
• 4.3.5 熔体粘度对空化气泡动力学影响
• 4.3.6 表面张力对空化气泡动力学影响
• 4.3.7 气泡内压对空化气泡动力学影响
• 4.3.8 气体种类对空化气泡动力学影响
• 4.4 本章小结
• 第五章 纯铝中的超声波施加及其对熔体作用机理的研究
• 5.1 引言
• 5.2 超声波在凝固前沿的折反射
• 5.2.1 连铸中液穴形状
• 5.2.2 凝固前沿声压的折反射
• 5.3 超声波在纯铝连铸中作用范围初探
• 5.3.1 空化气泡初始平衡半径为50μm
• 5.3.2 空化气泡初始平衡半径为30μm
• 5.3.3 空化气泡初始平衡半径为20μm
• 5.3.4 超声空化范围
• 5.4 超声波对铝熔体作用机理研究
• 5.4.1 试验方法
• 5.4.2 试验结果
• 5.4.3 试验结果探讨
• 5.5 本章小结
• 第六章 全文总结与展望
• 参考文献
• 附录
• 致谢
• 攻读硕士期间的研究成果