第11期 谢恩华等：超声波熔体处理过程中的声流现象 ,1427 式中，〈D为声能量密度的时间平均值，Eo为位于 由于超声波作用于黏性介质而使黏性介质朝着一定 工具杆端面处的声场能量密度值，α为熔体的声吸 方向运动并形成具有稳定流动趋势的流动现象称为 收系数，0为工具杆端面处的振动速度幅值，体积 声流现象].当超声波作用于黏性流体介质时，在 力通过自定义函数添加到Fluent中进行计算.各相 传播方向上产生一定的黏性损耗，形成一定的声压 关参数为：密度0=2350kgm3,吸收系数a=6× 梯度，从而在传播方向上产生驱动体积力，使熔体在 10-6m-1,振动速度幅值v0=0.4285ms1. 容器内形成稳定的、具有容器大小规模的流体流动 2计算结果与分析 现象，即称为Eckart声流现象10-1]. 2.1轴线上的轴向速度幅值 计算后得到的坩埚内铝合金熔体温度分布如 熔体内轴向速度幅值分布图如图4所示，可以 图2所示.除了从自由液面到工具杆端面距离内大 发现沿着工具杆端面轴线到坩埚底，坩埚下部的速 度比较大，上部速度很小.图5统计了沿着工具杆 端面中心点到坩埚底的线上单元的熔体轴向速度幅 图2熔体温度云图 Fig.2 Temperature contour of the melt 半个区域温度在固相线温度下、不具备流体流动的 图4轴向速度幅值分布图 条件外，其余区域都具备流体流动条件，计算区域 Fig.4 Distributing diagram of the axial velocity magnitude 内由于超声辐射力作用而形成的熔体流动现象如 图3所示.坩埚内的熔体在超声工具杆的作用下，从 1.8 16 工具杆端面开始沿着轴线向下流动，到达坩埚底面 1.4 后沿着坩埚壁转向向上流动，抵达工具杆端面所在 1.0 面下区域时分成上、下两股液流：其中的大股流向中 08 0.6 心，与端面下液流汇聚，继续向坩埚底流动，这种形 0.4 0.2 式的液流往复运动，在坩埚内形成了两个大漩涡，对 8620.040.060.080.100.120.140.16 称地排列在工具杆端面轴线两侧：而另一部分小股 位置m 液流朝着坩埚壁反方向流动，遇到壁面后向下返回 图5轴向中线上轴向速度幅值曲线图 至初始位置，分别在左右壁上形成一个小漩涡，这种 Fig.5 Diagram of the axial velocity magnitude in the axial line of the radiator's face 值.从图中可以发现，在端面中心点（端面中心点位 于x=0.025m处)到距端面约40mm范围内轴向 速度幅值很小，几乎等于零.，分析原因，结合轴向中 线上的熔体温度分布图6，铝合金熔体的液相温度 为908K,距离端面约40mm处的熔体温度恰在铝 合金熔体的液相温度附近，而在距端面40mm至端 面中心点之间区域的熔体刚好处于两相区内.根据 Eckart声流理论，非聚焦超声波引起的最大轴向速 图3熔体流线图 度公式为-3]： Fig.3 Streamline of the melt式中‚〈E〉为声能量密度的时间平均值‚E0 为位于 工具杆端面处的声场能量密度值‚α为熔体的声吸 收系数‚v0 为工具杆端面处的振动速度幅值．体积 力通过自定义函数添加到 Fluent 中进行计算．各相 关参数为：密度 ρ＝2350kg·m －3‚吸收系数α＝6× 10－6 m －1‚振动速度幅值 v0＝0∙4285m·s －1． 2 计算结果与分析 计算后得到的坩埚内铝合金熔体温度分布如 图2所示．除了从自由液面到工具杆端面距离内大 图2 熔体温度云图 Fig．2 Temperature contour of the melt 图3 熔体流线图 Fig．3 Streamline of the melt 半个区域温度在固相线温度下、不具备流体流动的 条件外‚其余区域都具备流体流动条件．计算区域 内由于超声辐射力作用而形成的熔体流动现象如 图3所示．坩埚内的熔体在超声工具杆的作用下‚从 工具杆端面开始沿着轴线向下流动‚到达坩埚底面 后沿着坩埚壁转向向上流动‚抵达工具杆端面所在 面下区域时分成上、下两股液流：其中的大股流向中 心‚与端面下液流汇聚‚继续向坩埚底流动‚这种形 式的液流往复运动‚在坩埚内形成了两个大漩涡‚对 称地排列在工具杆端面轴线两侧；而另一部分小股 液流朝着坩埚壁反方向流动‚遇到壁面后向下返回 至初始位置‚分别在左右壁上形成一个小漩涡‚这种 由于超声波作用于黏性介质而使黏性介质朝着一定 方向运动并形成具有稳定流动趋势的流动现象称为 声流现象［9］．当超声波作用于黏性流体介质时‚在 传播方向上产生一定的黏性损耗‚形成一定的声压 梯度‚从而在传播方向上产生驱动体积力‚使熔体在 容器内形成稳定的、具有容器大小规模的流体流动 现象‚即称为Eckart声流现象［10－11］． 2∙1 轴线上的轴向速度幅值 熔体内轴向速度幅值分布图如图4所示．可以 发现沿着工具杆端面轴线到坩埚底‚坩埚下部的速 度比较大‚上部速度很小．图5统计了沿着工具杆 端面中心点到坩埚底的线上单元的熔体轴向速度幅 图4 轴向速度幅值分布图 Fig．4 Distributing diagram of the axial velocity magnitude 图5 轴向中线上轴向速度幅值曲线图 Fig．5 Diagram of the axial velocity magnitude in the axial line of the radiator’s face 值．从图中可以发现‚在端面中心点（端面中心点位 于 x＝0∙025m 处）到距端面约40mm 范围内轴向 速度幅值很小‚几乎等于零．分析原因‚结合轴向中 线上的熔体温度分布图6‚铝合金熔体的液相温度 为908K‚距离端面约40mm 处的熔体温度恰在铝 合金熔体的液相温度附近‚而在距端面40mm 至端 面中心点之间区域的熔体刚好处于两相区内．根据 Eckart 声流理论‚非聚焦超声波引起的最大轴向速 度公式为［11－13］： 第11期 谢恩华等： 超声波熔体处理过程中的声流现象 ·1427·