研究背景及问题提出 [page::1][page::2]

• 离岸设施管道等工程结构易受钙质及生物污垢影响，传统化学、机械清洗需停产导致成本高昂且环境影响大。

- 本文提出利用高功率超声换能器实现在线非侵入式清洗，利用空化效应去除污垢，避免停机作业。

超声空化及清洗机理 [page::2][page::3][page::4]

• 空化气泡通过压力骤降形成，分为稳定空化和瞬态空化，瞬态空化导致强烈气泡坍塌，产生高温高压，实现污垢剥离。

- 引入声学流、微射流等物理机制辅助清理。

• 超声换能器激发下结构振动传递到液体，诱发空化；清洗效果与换能器激励频率和声压阈值密切相关。

实验设计与设备改造 [page::5][page::6][page::7]

• 制备含钙质结垢的不锈钢管样品，采用电化学法生成污垢。

- 采用改进型40kHz高功率换能器，通过调制信号及声学耦合胶确保换能器与管壁良好接触。

• 3D激光多普勒振动仪用于管体外壁振动测量，与清洗区域进行对比验证。

COMSOL数值模型建立与求解 [page::7][page::8][page::9]

• 模型包含高功率换能器、管壁、液体内部，考虑压电效应、固体力学及声压传递等多物理场耦合。

- 运用有限元自由四面体和扫掠网格优化计算。

• 时间步进与网格尺寸匹配，保证波动传播精度。

清洗实验与模拟结果对比 [page::10][page::11][page::12]

• 实验清洗区域与3D-LDV测得高振幅区域及数值模拟位移集中区域吻合良好。

- COMSOL模拟输出的声压达到5巴以上，超过文献阈值，能够产生空化，实现清洗。

• FFT分析显示振动频率峰值稳定，实验信号含空化气泡产生的多频激发成分，数值模型仅显示基频，因其忽略空化气泡动态。

关键参数与性能分析 [page::13][page::14]

| 参数 | 数值 |
|----------------------|-------------|
| 换能器功率 | 40 W |
| 共振频率 | 40.46 kHz |
| 管道长度 | 300 mm |
| 管壁厚度 | 1.5 mm |
| 管径外径 | 50.08 mm |
| 输入电源 | 65 W |

• 清洗所需功率40-70 W，实际输入功率65 W抵消功率损失。

- 清洗时间实验设定30分钟，能耗计算基于功率×时间积分。

• 换能器装配方式及夹紧力对清洗效果影响显著。

未来工作建议 [page::14][page::15]

• 模型继续完善，纳入污垢层（如钙质）及空化气泡对声场分布的影响。

- 优化换能器配置，阵列设计及频率调节提升清洗覆盖范围。

• 工业化应用需开发便捷换能器固定装置并监测夹紧压力，保证稳定耦合。

金融研究报告详尽分析报告

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1. 元数据与概览

报告标题： Numerical Modelling of Acoustic Pressure Fields to Optimize the Ultrasonic Cleaning Technique for Cylinders
作者： Habiba Lais, Premesh S. Lowe, Tat-Hean Gan, Luiz C. Wrobel
发布机构： Ultrasonics Sonochemistry
日期： 收稿日期2017年10月1日，修订日期2018年2月9日，接受日期2018年2月26日
主题： 研究利用数值模拟（有限元分析）优化用于管道类圆柱结构的超声清洗技术，针对船舶及海洋工业中结垢和污垢清除的问题。

报告核心论点：

• 海洋行业中污垢（如碳酸钙结垢）对生产设备安全和寿命有极大影响，现有清洁方法均需停产，成本高且效率低。

- 传统超声波清洗需部件浸没于浴槽中，且适用范围受限。

• 本文提出利用高功率超声换能器（HPUT）直接激振管道结构体，实现边运行边清洁。

- 建立基于有限元(Comsol)的数值模型，模拟压力和位移场，预测超声波清洗效果，并通过3D激光多普勒振动计的实验数据验证模型准确度。

• 研究表明超声波激振能有效生成空化现象，有望为管道运行中实现非停产清洗提供技术支持。

核心结论与推荐：

• 数值模型有效预测管道结构的振动模式和压力分布，与实验清洁区域高位移区匹配良好。

- 模型可用于设计更优换能器阵列，提高清洗覆盖范围和效率。

• 该技术有潜力成为海洋行业非侵入式连续清洁的新方案，节约成本与停产损失。

- 推荐进一步优化数值模型及商业化应用中的换能器配置和安装方式。

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2. 章节逐步深入解析

I. 引言

• 阐述了海洋行业因结垢问题（如碳酸钙、硫酸钡等）造成管道堵塞和材料损伤，且目前清洁方法（液压、化学、人工）均需停产，效率低下且成本高昂。

- 引入了超声波清洗的背景，传统做法多为超声波浴槽浸泡，限制了清洗的规模及连续运维的可能性。

• 明确本文研究的核心是利用高功率超声换能器，在管道壁上直接激振，实现非停产条件下的结垢清除。

- 介绍管道样本几何参数及结构，以及文中组织结构。

II. 理论背景

A. 超声空化现象

• 空化定义为液体中压力骤降导致的汽泡形成与激荡，分为稳定空化（长时间、多周期振荡，无光/化学反应）和瞬态空化（短暂、剧烈爆破，产生高压高温、光辐射及化学反应）。

- 说明单泡声致发光(SBSL)等空化类型为两者结合。

• 引入Rayleigh-Plesset方程描述单个空化气泡的动力学行为，涉及液体密度、表面张力、粘度等物理参数。

- 物理图示（图1）配合说明空化泡的振荡与压缩-稀疏周期。

B. 污垢清除机理

• 超声波利用空化泡的剧烈爆裂产生的剪切力、微射流（Micro Jets）、声流（Acoustic Streaming）等物理效应破坏污垢层。

- 现有应用涵盖反渗透膜清洗、农产品农药剥离、3D打印件辅助清洗、鱼类生殖研究及油过滤器清洁等。

• 频率依赖性显著，高频（约130kHz）更易于提高清洁效率。

- 图2显示了超声波发生空化与否时声压幅度空间分布的区别，验证空化对声压影响。

C. 有限元建模（FEM）

• 介绍FEM模拟声学空化整体场分布的优势，克服了精确模拟众多空化泡的复杂性。

- 文献指出产生空化的最低声压约为5巴（Bar），但实际有变动，部分研究认为1-2巴已足够。

• 受空化影响，实际介质声压会明显降至无空化状态的1/3，模型中未考虑空化泡效应会高估声强。

- 重点讨论耦合壁面机械振动和流体声场模拟的重要性，以及有限元软件（COMSOL Multiphysics）在此领域的适用性。

III. 实验装置搭建

• 特殊制备碳酸钙污垢的316L不锈钢管，尺寸实测。

- 介绍高功率超声换能器（HPUT）表面改形（凹面设计）和安装方式（带有橡胶带和耦合胶），保证声能传递。

• 信号由信号发生器经过功率放大，激励频率调到共振频率40.46kHz。

- 利用Polytec 3D激光多普勒振动计采集管外壁的三维位移振动，用于后续对照模拟数据。

• 设备参数详见表1，保证实验数据真实性与模型输入参数一致。

IV. 建模理论与数值方法

• 使用COMSOL MuliPhysics 5.2a，建立一套综合机械、电声与声学耦合的有限元模型。

- 描述换能器主要机械结构，简化假设忽略弹性接触板和环氧胶层，电信号直接作用陶瓷环。

• 声学域采用压力声学瞬态波动方程，固体域遵循线性弹性力学方程，陶瓷采用压电材料本构关系。

- 明确边界条件及耦合边界（界面力学声学耦合），用于计算液体和管壁的相互影响。

• 网格设计遵循波动数（元素数量与波长相关）和时间步长优化，确保模型收敛及时间解析度。

V. 结果分析

A. 管体振动分布验证

• 图8展示实验清洁区（污垢剥离区域）与3D-LDV测得的高振幅区域以及模型输出的管壁振动位移聚集区高度吻合。

- 表明振动峰值位置与污垢清除区域一一对应，验证换能器激振引发的机械波在管壁上传播是清洁的关键机制。

B. 声压场模拟观察

• 图9中声压场的瞬时快照显示，换能器表面产生远超5巴的压力峰，满足空化发生阈值。

- 声压随距离传播变化，在管内部呈现正负压交替，即稀疏-压缩波，契合空化泡生命周期机制。

• 正压峰对应气泡崩溃，负压峰对应气泡形成的稀疏波。

C. 频谱分析（FFT）

• 3D-LDV数据通过FFT转换，图10展示主激励频率40kHz及其谐波峰值，符合共振激励和空化泡剧烈崩解所产生的次谐频率。

- 模拟结果FFT（图11）呈现明显40kHz峰值，与实验匹配。

• 谐波成分在试验中明显，而数值模拟中因未建模空化气泡无次级激发，因而谐波信号较弱或缺失。

VI. 讨论

• 功率需求分析指出40-70瓦特的电功率足以实现可靠清洁，实验装置功率输入65瓦以补偿能量损耗。

- 结合清洗效率和能耗，提出未来应用中围绕能耗优化设计的空间。

• 探讨多换能器阵列覆盖更大管长及优化配置提升清洗效率的潜力。

- 论述换能器安装方式对耦合效率和清洁效果的影响，强调工业实际应用需开发便捷且稳固的安装方法。

VII. 结论

• 研究证实使用高功率超声波激励管道外壁，实现液体内生成空化泡并借助空化破坏作用清洗污垢的可行性。

- 3D激光振动计实验验证了数值模型对管体振动场的准确预测，并且高振幅区与清洁区匹配。

• 模型计算声压超过5巴阈值，理论上能够启动空化，但数值模型未纳入空化对声压场的反馈影响，仍需完善。

- 提出未来通过模型优化换能器设计和清洁阵列，以实现在更大范围和多种工况下的高效清洗。

VIII. 后续工作展望

• 将污垢（碳酸钙层）纳入有限元模型，量化其机械特性对管道振动和清洗效果的影响。

- 考虑空化气泡产生及其对声压场的衰减、速度影响等非线性影响因素提高模型准确度。

• 探索多换能器阵列、不同频率组合及安装方式优化清洗覆盖。

- 研究换能器与工件接触状态对耦合效率和清洗能力的影响（耦合胶、干接触、永久粘结等）。

• 推进技术成熟度，提升系统工业应用的可靠性和用户友好度。

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3. 图表深度解读

图1：稳定与瞬态空化泡生长示意

• 该图通过压力波形、气泡直径随时间振荡展示两种空化泡行为。

- 显示稳定空化泡持续振荡但不爆破，瞬态空化泡快速膨胀后剧烈坍塌产生高温高压。

• 为理解空化清洗机理提供视觉支撑，结合Rayleigh-Plesset方程阐释物理过程变化。

- 支撑空化泡对清洗过程的不同影响。

图2：声压幅度随距离衰减曲线（有空化与无空化）

• 曲线显示有空化时声压明显低于无空化状态，表明空化泡存在显著衰减超声波能量。

- 这是声学模型必须考虑的物理现实，未考虑空化泡将导致高估声压。

• 该数据对调节模型参数、修正无空化仿真提供理论基础。

图3：实验装置准备照片

• 清晰标示电极连接方式、电化学溶液容器及加热搅拌装置。

- 展现污垢生成的标准化实验操作流程，保证样本一致性及实验可重复性。

图4：换能器对管道接触形式对比（平面与凹形）

• 凹面换能器提供更大接触面积，提高激振效率。

- 图示变形示意说明机械设计的改进方向。

图5：实验装置示意图与实物照

• 直观反映实验测量管道振动的布局及设备配合。

- 3D激光多普勒振动计通过激光扫描获取三维位移，精确捕捉外壁振动模式。

表1：实验用HPUT参数

| 参数 | 数值 |
|------------------|-------------|
| 换能器功率 | 40 W |
| 换能器共振频率 | 40 kHz |
| 换能器材质 | 不锈钢 |
| 输入功率 | 65 W |
| 激励频率 | 40.46 kHz |

• 具体参数为建模及实验提供数据基础。

图6：HPUT结构图解

• 展示换能器构造，前后质量块、压电陶瓷、预紧螺栓布局。

- 简化模型时考虑省略的部件理解其对振动传播的影响。

图7：数值模型几何截面剪影

• 模型根据对称性简化为1/4体积，提升模拟效率。

- 体现建模策略和约束设置。

图8：实验清洁区域与位移测量及模拟结果对比

• (a) 展示实际清洁区域，明显污垢剥离。

- (b) 3D振动计数据对应表明该区域振幅最大。

• (c)(d) 模型预测位移峰值区域与实验高度吻合。

- 强烈支持模型有效捕捉清洁机理。

图9：管内液体声压波场瞬时分布及三维等值面

• 反映高压与低压交替出现，压力超过空化阈值5巴，证实声场激发空化泡的能力。

- 等值面进一步表现压力空间分布的三维特征。

图10：3D-LDV实验数据FFT分析

• 频谱峰值精确对应40 kHz工作频率及其倍频谐波。

- 偶发峰表明空化气泡坍缩产生冲击波激发的额外振动成分。

图11：模拟数据FFT分析

• 单点频谱确定主峰频率为40kHz，与实验吻合。

- 谐波成分明显较弱，定位建模未包含空化气泡细节。

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4. 估值分析

本报告虽非传统经济金融估值报告，但采用有限元数值仿真的“技术估值”思路：

• 模型输入关键参数（几何、材质、激励功率、频率等）构成仿真基础。

- 估计声学压力及结构振动响应，间接“评估”超声清洗效果及空化产生可能性。

• 通过实验数据进行标定，与振动测量匹配校验模型可靠性。

- 通过模拟多种换能器配置，为未来商业应用和设备优化提供设计依据。

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5. 风险因素评估

• 当前模型未考虑污垢层（Calcite）与空化泡对声压场的反馈影响，可能导致压力和振动预测偏高，影响清洗效果判断。

- 换能器与管道间的实际机械耦合存在不确定性（胶质质量、安装压力变化等），影响超声波能量传递效率及清洗均匀性。

• 模型未涵盖长期运行下热效应、机械疲劳及设备磨损，未来需跟踪分析。

- 高功率超声波可能对管道材质产生冶金或疲劳影响，需评估工业安全及寿命影响。

• 目前实验条件为短周期试验，长期连续清洗效果和效率还有待验证。

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6. 审慎视角与细节

• 报告坚实地结合实验数据与数值模拟，客观指出模型的当前限制，如缺乏对污垢层和空化泡的动态反馈考虑。

- 计算中未考虑空化泡产生后衰减声场的非线性影响，可能对压力峰值估计有偏差。

• 没有描述长时间连续清洗导致的设备老化及用户操作难题，对商业工程应用有潜在影响。

- 对于空化阈值压力的引用虽涵盖文献，但仍有不确定性，技术参数存在波动。

• 实验选用的工件尺度较小，如何向大型工业管道扩展效果尚需实验和模型进一步支持。

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7. 结论性综合

本研究通过理论背景分析、高精度实验验证及多物理场有限元模拟，系统性展示了利用高功率超声换能器实现非停产管道超声清洗技术的可行性。核心技术基于声波诱导空化泡在液体内产生剪切力清除管壁结垢。实验3D激光振动计数据与模型输出显示振动峰值与清洁有效区域高度重合，验证模型准确度。数值模拟声压峰值超过空化阈值，证明激励条件合适。

图表详解反映稳态和瞬态空化机制（图1），空化对声压衰减影响（图2），实验与模型装置细节（图3-7），以及清洁区域与振动分布匹配（图8）。声压时空分布（图9）与FFT频谱（图10-11）进一步强化清洁机理理解。

尽管当前模型尚未考虑空化泡的非线性反馈和污垢层的力学影响，仍为未来换能器设计、阵列优化及工业应用提供有力理论工具。后续拟加入空化非线性效应及污垢多层次建模，加强模拟精度及预言能力。

本报告提供了具有较强说服力的科学依据，表明高功率超声清洗技术对海洋结构中的结垢问题是一种创新有效的清除手段，极具商业推广潜力。

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