D0I:10.13374/1.issnl00103.2009.11.039 第31卷第11期 北京科技大学学报 Vol.31 No.11 2009年11月 Journal of University of Science and Technology Beijing Now.2009 超声波熔体处理过程中的声流现象 谢恩华李晓谦 中南大学机电工程学院现代复杂装备设计与极瑞制造教育部重点实验室，长沙410083 摘要应用C℉D软件Flml对坩埚中进行超声处理的铝合金熔体流场进行模拟计算.计算结果表明，在由于黏滞衰减产 生声压梯度而形成的超声辐射力的作用下，工具杆端面下液相区域内的熔体形成大规模的Ekt声流现象，熔体的最大轴向 速度幅值出现在工具杆端面中心轴线下液相区域的中心点附近，其值并不随着驱动力值的增大呈线性增大·铸造实验结果表 明，声流作用使铸锭在工具杆端面至铸锭壁面之间形成一条作用区域分界线，分界线两端凝固组织呈现完全不同的样貌，工 具杆端面下一侧组织在空化和声流的双重作用下得到细化，呈等轴晶状，而上端组织则呈枝状晶形态· 关键词流场：模拟计算；超声波：声流：辐射力：凝固组织 分类号TG249.9 Acoustic streaming phenomenon during ultrasonic sonication on melt XIE En-hua:LI Xiao-qian Key Laboratory of the Ministry of Education of China for Modern Complex Equipment Design and Extreme Manufacturing School of Mechanical and Electrical Engineering.Central South University.Changsha 410083,China ABSTRACI Simulation was made using CFD soft ware Fluent to calculate the flow field of aluminum alloy melt sonicated in a cru- cible.The results showed that large"scale Eckart acoustic streaming formed in the liquid phase zone under the radiator's face.driven by radiation force which formed as a result of acoustic pressure gradient due to viscous attenuation.The maximum axial velocity ap- peared around the centre of the liquid phase zone in the axial line of the radiator's face,and it did not increase linearly with the driv- ing force increasing.Experiment results showed that a borderline in the area from the radiator's face to the boundary of the ingot formed by acoustic streaming.The solidification structure of one side of the borderline was absolutely different from the other s.The structures of the side under the radiator's face were all well refined by the duple action of cavitation and acoustic streaming,while the other side s were coarse and dendritic. KEY WORDS flow field:simulation calculation:ultrasound:acoustic streaming:radiation force:solidification structure 如何获得具有细小均匀等轴晶组织的高强铝合 和高温对周围的熔体产生巨大的作用，铝合金熔体 金铸锭、减少各种铸造缺陷一直以来都是国内外学 中的初生晶被打碎，异质结晶核数目增多，在声流的 者所关注的问题，凝固组织的细化可以大大提高金 带动下，这些形核微粒散播到熔体的各个区域，使熔 属材料的性能[可].施加一定的外场条件可以改变 体中等轴晶形核的概率大大提高，使组织得到了明 金属原有的凝固、成形过程，使获得的铸锭晶粒细 显的细化，国内外已经对超声场在熔体中的作用机 小、组织致密，这就是外场处理技术，外场处理技术 理和效果进行了很多研究：但是由于铝合金熔体的 利用外加物理场和熔融金属的相互作用，达到改善不可见性，对超声作用熔体时产生的声流现象的描 凝固组织的目的，外加超声场是众多外场处理技术 述很少涉及，本文主要通过CFD软件Fluent进行 之一，超声场的施加能产生明显的晶粒细化效果， 仿真模拟，并加以一定的实验验证来对超声处理铝 超声在熔体中传播时会产生一系列非线性效应，如 合金熔体时产生的声流现象进行探讨， 空化效应、声流效应一门，空化效应产生的高压激波 收稿日期：2009-02-27 基金项目：国家重点基础研究发展计划资助项目(N。.2005CB23707) 作者简介：谢恩华(1984一)，男，硕士研究生；李晓谦(1958一)，男，教授，博士，E-mail:meel@mail.csu~edcm超声波熔体处理过程中的声流现象 谢恩华 李晓谦 中南大学机电工程学院现代复杂装备设计与极端制造教育部重点实验室‚长沙410083 摘 要 应用 CFD 软件 Fluent 对坩埚中进行超声处理的铝合金熔体流场进行模拟计算．计算结果表明‚在由于黏滞衰减产 生声压梯度而形成的超声辐射力的作用下‚工具杆端面下液相区域内的熔体形成大规模的 Eckart 声流现象‚熔体的最大轴向 速度幅值出现在工具杆端面中心轴线下液相区域的中心点附近‚其值并不随着驱动力值的增大呈线性增大．铸造实验结果表 明‚声流作用使铸锭在工具杆端面至铸锭壁面之间形成一条作用区域分界线‚分界线两端凝固组织呈现完全不同的样貌‚工 具杆端面下一侧组织在空化和声流的双重作用下得到细化‚呈等轴晶状‚而上端组织则呈枝状晶形态． 关键词 流场；模拟计算；超声波；声流；辐射力；凝固组织 分类号 TG249∙9 Acoustic streaming phenomenon during ultrasonic sonication on melt XIE En-hua‚LI Xiao-qian Key Laboratory of the Ministry of Education of China for Modern Complex Equipment Design and Extreme Manufacturing‚School of Mechanical and Electrical Engineering‚Central South University‚Changsha410083‚China ABSTRACT Simulation was made using CFD software Fluent to calculate the flow field of aluminum alloy melt sonicated in a cru￾cible．T he results showed that large-scale Eckart acoustic streaming formed in the liquid phase zone under the radiator’s face‚driven by radiation force which formed as a result of acoustic pressure gradient due to viscous attenuation．T he maximum axial velocity ap￾peared around the centre of the liquid phase zone in the axial line of the radiator’s face‚and it did not increase linearly with the driv￾ing force increasing．Experiment results showed that a borderline in the area from the radiator’s face to the boundary of the ingot formed by acoustic streaming．T he solidification structure of one side of the borderline was absolutely different from the other’s．T he structures of the side under the radiator’s face were all well refined by the duple action of cavitation and acoustic streaming‚while the other side’s were coarse and dendritic． KEY WORDS flow field；simulation calculation；ultrasound；acoustic streaming；radiation force；solidification structure 收稿日期：2009－02－27 基金项目：国家重点基础研究发展计划资助项目（No．2005CB23707） 作者简介：谢恩华（1984－）‚男‚硕士研究生；李晓谦（1958－）‚男‚教授‚博士‚E-mail：meel＠mail．csu．edu．cn 如何获得具有细小均匀等轴晶组织的高强铝合 金铸锭、减少各种铸造缺陷一直以来都是国内外学 者所关注的问题．凝固组织的细化可以大大提高金 属材料的性能［1－5］．施加一定的外场条件可以改变 金属原有的凝固、成形过程‚使获得的铸锭晶粒细 小、组织致密‚这就是外场处理技术．外场处理技术 利用外加物理场和熔融金属的相互作用‚达到改善 凝固组织的目的．外加超声场是众多外场处理技术 之一．超声场的施加能产生明显的晶粒细化效果‚ 超声在熔体中传播时会产生一系列非线性效应‚如 空化效应、声流效应［6－7］‚空化效应产生的高压激波 和高温对周围的熔体产生巨大的作用‚铝合金熔体 中的初生晶被打碎‚异质结晶核数目增多‚在声流的 带动下‚这些形核微粒散播到熔体的各个区域‚使熔 体中等轴晶形核的概率大大提高‚使组织得到了明 显的细化．国内外已经对超声场在熔体中的作用机 理和效果进行了很多研究；但是由于铝合金熔体的 不可见性‚对超声作用熔体时产生的声流现象的描 述很少涉及．本文主要通过 CFD 软件 Fluent 进行 仿真模拟‚并加以一定的实验验证来对超声处理铝 合金熔体时产生的声流现象进行探讨． 第31卷 第11期 2009年 11月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．31No．11 Nov．2009 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2009．11．039