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声化学反应器中声场均匀性研究

张永元  
【摘要】:20世纪70年代以来,随着高效、大功率换能器装置的出现,超声作为一种新的能量形式作用于化学反应,它与化学相互渗透,开辟了化学反应的新通道。它不仅可以改善反应条件,加快反应速度,提高反应产率,使很多以往不能进行或难以进行的反应得以顺利进行,而且作为一种方便、有效、安全的技术,已发展成为一个重要的研究领域。在此基础上,产生了一门利用超声能量加速和控制化学反应,提高反应产率和引发新的化学反应的新的边缘学科——声化学。 进行声化学研究、实现声化学反应的重要场所是声化学反应器,声化学反应器是指有超声波引入并在其作用下进行化学反应的容器或系统,与一般的化学反应器不同,声化学反应器包括反应溶液的空间以及换能器两部分。反应溶液和换能器之间属于电声耦合体系,并且声化学反应的引发是通过超声的空化效应,声空化是声化学反应的主动力。而声空化的形成、状态和强度与诸多的声学参量相关。当反应溶液的物理、化学属性一定时,反应器内声场强度及其分布对化学反应产率以及化学选择性都有显著的影响。反应器内的声场分布越均匀,越有利于提高声化学产率。因此,研究声化学反应器中声场以及空化场的均匀性,对于提高声化学产率,促进声化学从实验室规模向工业过渡都是至关重要的。 本文设计了用于改善清洗槽式声化学反应器中声场均匀性的纵弯复合模式换能器,该换能器由纵向夹心式换能器与弯曲正六边形薄板组成。并将其粘结在清洗槽式声化学反应器的侧壁,即在纵向振动夹心式换能器与清洗槽式声化学反应器之间增加一个弯曲振动正六边形薄板,定性的测量了一定频率下反应器中声场与空化场的分布。 具体的,主要有以下几个方面: 1、利用瑞利积分,推导出了正六边形活塞声源辐射远场的声压表达式以及指向性公式,并对指向性进行仿真。在声波频率、以及活塞面积大小相同的条件下,对正六边形活塞、圆形活塞、正方形活塞声源辐射远场的指向性进行比较,结果表明,当活塞尺寸与声波频率的乘积较大时,正六边形活塞声源辐射远场相对比较均匀。 2、采用有限元方法,对一定几何尺寸边界自由的正六边形薄板进行模态分析,得到20kHz~50kHz频段内中心位移最大的模态,设计以该模态的频率作为共振频


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