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超声振动作用下的金属管道内声场特性研究

武喜文  
【摘要】:目前全球能源逐渐匮乏,而核能作为一种清洁能源,近年来的发展规模越来越大,渐渐有取代传统能源地位的趋势。利用核能发电时,需要通过金属管道对核物质进行输送,而金属管道在长年累月的使用过程中,不可避免地会在管道内壁沉积污垢,这些污垢的存在严重影响了管道输送的效率,当其积累到一定程度时,可能会发生堵塞造成不可估量的后果。因此,如何在保证安全和设备效率的前提下,对金属管道内壁的污垢进行清洗是一个亟待解决的问题。当在金属管道外壁施加超声振动时,管道内部液体中产生的空化作用不仅在局部创造了高温高压的极端物理环境,还产生了高速的微射流作用在管道内壁附着的污垢上,从而起到对管道进行清洗的效果。本文在对金属管道超声清洗作用机理展开分析的基础上,重点通过仿真和试验两种手段研究了超声振动作用下的金属管道内声场的特性,具体的研究工作包括:本文对金属管道超声清洗的作用机理进行了研究分析,依据超声空化理论推导了超声振动作用下金属管道内声场空化作用发生的条件以及作用形式,分析了空化气泡的运动状态以及影响因素;根据声波传播理论得到了超声波在金属管道内液体中传播的声波波动方程,分析了其在传播过程中的各种衰减情况;利用声波辐射理论计算了超声波在金属管道内发生反射与折射时的反射系数与折射系数。本文对超声振动作用下的金属管道内声场进行了仿真研究,利用多物理场仿真软件COMSOL模拟了声场的强度和分布,分析了金属管道内声场的变化趋势以及产生空化作用的区域;以“空化百分比”作为超声清洗的评价指标,研究了超声参数以及管道参数对声场特性的影响,得到了金属管道超声清洗的优化参数组合。本文对超声振动作用下的金属管道内声场进行了试验研究,研制了金属管道超声振动试验装置;通过将水听器法和频谱分析法相结合,利用能量分离的方法得到了声场的空化能量;分析了金属管道内典型位置的空化声场的分布、大小和变化,并与仿真结果进行了对比验证。


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