超声场中空化和声流作用机理综述 [page::0][page::1]

• 空化气泡在超声作用下膨胀、收缩、溃灭，产生局部高温高压及冲击波，促进枝晶碎断和均匀分布。

- 声流产生液体中的整体环流，促进枝晶碎片运输和溶质传质过程，有效抑制偏析和除气。

超声声场分布非线性数值模型及优化 [page::2][page::3][page::4][page::5]

• 线性声场模型受限于超声振幅，非线性亥姆霍兹方程精准模拟高强超声下声衰减。

- 超声功率提高促进空化区域扩大，但高功率时气泡聚集导致超声波能量衰减明显，无效提高声压。

• 高频超声频率（490kHz）相较低频（20kHz）空化稳定性和穿透性更强，且多维正交超声显著增强声压和空化体积分数，提升超声处理效果。

气泡动力学模型与多泡相互作用机制 [page::6][page::7][page::8][page::9]

• 单泡气泡动力学基于Rayleigh-Plesset和Keller-Miksis方程模拟气泡振荡、形变及溃灭过程，揭示溃灭时高温高压和微射流效应。

- 多泡系统气泡受二阶Bjerknes力耦合，气泡间相互作用改变振荡特性，影响空化强度和泡云分布。

• 多泡模型引入声尾流效应与气泡群运动，显著影响气泡振幅和溃灭动力学，是未来超声空化动力学研究重点。

声流模型与流场调控 [page::10][page::11][page::12][page::13]

• 基于Rayleigh-Nyborg-Westervelt与Stuart平均N-S方程，结合非线性声学确定声流体积力，实现高功率超声流场计算。

- 超声功率和变幅杆端面形状显著影响声流强弱和结构，三维多轴超声形成均匀高强度涡旋，促进液体混合和传质。

• 多角度波束相位差可调控声流涡旋形态，实现微流体中声流操控的精细应用。

超声对液态合金凝固的作用机制与数值模拟 [page::13][page::14][page::15][page::16]

• 超声空化效应通过异质形核、均质形核和晶粒增殖促进晶核形成，显著细化晶粒。

- 声流调控枝晶生长导致晶粒由枝晶向球状晶转变，促进均匀组织形成。

• 耦合声流与连续介质模型可数值模拟铝合金连续铸造中宏观流动与温度场，揭示超声提高晶粒均匀性和抑制宏观偏析。

- 多尺度模拟结合局部声流与宏观热流场为超声凝固微观机理研究提供理论支持。

超声场中液体材料的空化和声流动力学研究进展——详尽分析与解读

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一、元数据与概览

• 报告标题：《超声场中液体材料的空化和声流动力学研究进展》

- 作者及单位：吴文华、翟薇、王建元、魏炳波，西北工业大学物理科学与技术学院

• 发布时间：收稿于2022年1月13日，接受于2022年4月6日，网络版发表日期2022年8月17日

- 资助情况：国家自然科学基金及陕西省相关自然科学研究计划支持

• 主题：超声在液体材料特别是金属熔体中的传播特性、空化与声流效应的动力学研究及其对液态合金凝固过程的影响机制，涵盖数值模拟与实验研究

- 核心论点：
- 高强度超声在液体传播过程中引发空化与声流效应，是调控合金凝固、晶粒细化、均匀化组织的重要物理机制。
- 由于合金熔体的不透明性，数值模拟已成为分析超声传播和其对材料结构影响的关键工具。
- 报告综述了超声声场由线性到非线性模型的发展，空化气泡动力学的数值模拟，声流动力学的建模与调控，并结合金属凝固展开多尺度数值模拟分析。
- 展望未来利用大数据与机器学习技术推动超声凝固数值模拟及工业应用。

该文以系统、详尽的方式梳理了超声场中液体材料的空化和声流动力学研究的理论进展和应用实践，尤其聚焦于金属材料制备领域，具有较强的理论指导意义和工程应用价值。[page::0],[page::1],[page::25]

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二、逐节深度解读

1. 引言（Section 1）

• 功率超声技术涉及物理、机械振动、电子材料等学科，通过高频机械波改变量质的物理、化学和生物性能，因低成本、高效环保，在材料、机械、石油等多个领域得到应用[6–12]。

- 材料制备方面，超声凝固技术历史悠久（始于1878年），其细化合金晶粒性能优异，广泛适用于航空、汽车制造等高端领域。

• 叙述了该技术在20世纪的发展起伏，近二十年来因环保要求及相关技术提升，超声凝固重新成为研究热点。

- 引出空化与声流两大非线性物理效应是超声作用的根本机理，对凝固结构的影响深远。[page::0]

2. 超声在液体中传播特性（Section 2）

2.1 声场分布特征

2.1.1 声场计算模型（Section 2.1.1）

• 早期超声传播采用线性亥姆霍兹方程求解声压分布，适用于均匀、无能量耗散介质，缺乏空化和黏滞效应的真实表征。

- 介绍复波数中衰减系数计算方法以考虑黏性耗散。

• 引入气泡在液体中引起的散射和吸收，强调了气泡频率共振导致强烈声波衰减现象。

- 经典的Rayleigh-Plesset气泡振荡动力学及其对传播声波的影响被纳入模型发展，线性模型虽然简洁，但不适合高功率空化超声场，因低估了声压衰减。

• Louisnard等提出的非线性亥姆霍兹方程模型，有效描述了高强度声场中空化引发的能量耗散与声波剧烈衰减，计算声衰减系数比线性模型高出几个数量级，符合实际空化泡产生的高温高压环境。

- Trujillo进一步推导非线性模型，数学严密性更强，但在高频共振条件下仍存在偏差。当前仍缺乏绝对精确的数值模型。

• 图2清晰显示不同模型下声衰减系数变化及声压分布差异，验证非线性模型在高强度超声场的适用性与优势。

2.1.2 声场分布的优化与调控（Section 2.1.2）

• 超声功率的提升能扩大空化区域与整体声压水平，增强空化活性，但超声功率过大会因气泡聚集导致声波屏蔽效应，降低穿透深度和均匀性，形成热斑和空化热点区域。

- 频率调控：低频超声能产生剧烈空化效应，空化区域明显；高频超声穿透性增强但空化易受抑制，最佳频率范围多在20~100 kHz。

• 变幅杆的尺寸、形状和插入深度对声场分布影响显著。平面和截断端面适合形成较强声流，圆锥端面空化区域最大。变幅杆半径扩大能提升声功率输入。

- 多维超声（X, Y, Z轴多束超声同时作用）数值模拟显示声压水平与空化体积分数较一维超声显著增加（分别提升约15倍和由18%增至67%），实验制备大体积合金验证技术有效性。

• 容器边界条件和几何形状优化对声场均匀分布有积极影响，反射边界能增加声压区域。

- 目前优化研究多针对特定条件，尚缺乏兼顾多参数的普适优化准则。

• 图3与图4分别展示了超声功率/频率以及超声维度对空化区和声压分布的影响，数据直观有力支撑理论。

2.2 气泡空化动力学

2.2.1 单个气泡振荡和迁移（Section 2.2.1）

• 单个气泡振荡基本由Rayleigh-Plesset（1949）、Keller-Miksis（1980）方程描述，考虑了液体黏性、表面张力、气泡内压力及流体可压缩性等。

- 后续模型增加对气泡内蒸发/凝结、传热传质效应的耦合处理，提升模拟精度。

• 超声功率、气泡初始尺寸和振荡频率是影响气泡动力学的关键因素：功率增大会使气泡经历线性振荡到瞬态空化转变，振幅、温度与压力显著升高；频率提高空化强度下降。

- 双频超声模式能显著降低空化阈值，提高振荡幅值及温度，增强空化效应，成为热点研究方向。

• 实验观测显示气泡溃灭时多数发生非球形形变甚至分裂，球形模型不足以描述复杂流体动力学行为。借助界面追踪方法（Level Set、VOF）模拟非球形气泡及溃灭过程，揭示气泡与壁面距离、流体环境温度等对温压和微射流的影响。

- 图5展示了气泡溃灭的高分辨率实验图像，直观呈现非球形快速形变及分裂现象。

2.2.2 多气泡耦合动力学（Section 2.2.2）

• 多气泡系统中，气泡之间通过二阶Bjerknes力相互作用，产生复杂声场耦合效应，导致气泡振动特征偏离单泡状态，影响空化活性。

- 研究从双泡入手，逐步扩展到多泡，表明较小气泡振荡可被邻近大泡抑制或延迟。

• 数值模拟指出，通过控制大泡尺寸和数量，可以有效抑制小气泡爆炸，调节空化强度。

- 多泡系统中气泡振荡幅值与周围气泡覆盖率（rcov）相关，覆盖率越大，气泡振动和压力波动越强（表1）。

• 多泡振荡动力学计算需突破球形假设，研究非球形气泡失稳与形变动力学正在起步发展（图7）。

- 大规模气泡云耦合同样存在，空化泡协同溃灭产生高压脉冲，影响系统整体性能。

• 完全空化模型（Euler-Euler两相流模型）以气泡和液体的质量分数描述，用于模拟气体在液体中的空间分布、传播和传热传质，支持Fluent等CFD平台的实施，提升模拟工业场景的实用性。

2.3 超声场中声流分布

2.3.1 声流计算模型发展（Section 2.3.1）

• 经典声流理论（Rayleigh-Nyborg-Westervelt）基于声压梯度驱动连续介质中的雷诺应力空间变化，导出声流的体积驱动力。

- 该模型适合低雷诺数流动，不能解释高功率超声引起的强湍流与高速射流。

• Stuart提出时间平均N-S方程，纳入惯性项，适应湍流声流模拟。

- 现代研究基于选取合适的声压模型，结合湍流模型（如k-omega SST模型）模拟声流。

• 另外，Trujillo-Knoerzer提出不依赖计算声场的纯声流模型，根据声功率估算射流速度，有效简化了计算，但依赖经验参数，适合实验校正。

- 不同湍流模型均可模拟声流的速度场和涡旋结构，适应不同复杂程度的实际超声流动。

2.3.2 声流流场优化调控（Section 2.3.2）

• 声流直接影响传热、传质及微粒分布，在材料制备中尤为关键。

- 超声功率是最显著影响因子，功率增大促进射流速度和范围扩展，提升液体混合效率（图8）。

• 超声频率对声流影响较小（20~490 kHz数据流速接近），但在超高频(MHz及以上)时，声流速度及空间分布发生明显变化（图9）。

- 变幅杆端面形状(平面、截断面、圆锥)及尺寸变化调控流速方向和强度，圆锥端面流速较低且产生逆向射流。

• 容器几何（底部形状等）调整改变声流涡旋结构及速度分布，影响材料的微观组织形成。

- 多维超声技术在三维立方腔中显著增加声流涡旋数量和流速，流场更均匀（图10）。

• 声波相位差控制可调节声流涡旋的空间位置和强度，为微混合工艺提供调控手段。

3. 超声场中液态合金凝固数值模拟（Section 3）

• 超声空化及声流在金属凝固过程中影响晶粒形核、晶粒生长及组织均匀化，被广泛研究和应用于铝、镁、铜等多种合金制备。

- 超声主要通过三大机制促进晶粒细化：
1. 空化诱发异质形核——气泡振荡激活夹杂物，降低成核能垒，增大形核密度。
2. 空化促进均质形核——溃灭产生的高压导致压力过冷，提高形核率。
3. 空化与声流引起晶粒增殖和枝晶碎断，形成球状晶结构。

• 相关理论模型结合形核动力学方程和数值计算，成功再现了超声驱动的晶粒演变过程（图11）。

- 空化过程中的瞬时高温高压以及声流剪切力能引起枝晶根部高应力，促使二次枝晶碎断，增强晶粒细化（图12）。

• 力学模型（有限元、元胞自动机-格子玻尔兹曼等）被用以模拟宏观温度场、流场与微观晶体演变的耦合过程，揭示声流增强对流致温度梯度变化影响；但空化效应尚难全面纳入微观模型，仍是未来挑战。

- 声流效应对铝合金铸造过程中温度和宏观流动分布影响明显，调节声流形态可有效优化铸造组织（图13）。

• 超声凝固模拟面临多物理场复杂耦合，未来研究方向是构建更完整的空化-声流-凝固联合模型，提升预测准确性并支持工业应用。

4. 结语与展望（Section 4）

• 近三十年液体材料超声空化与声流动力学研究取得丰富理论与应用成果。

- 声波传播模型由线性演进至非线性，显著提升对空化导致的声衰减的描述精度。

• 空化和声流的数值模拟理论日益完备，已可应用于解析多维超声、气泡动力学及液态合金凝固的机理。

- 未来将朝着非线性声学理论深化、超声-组织-性能关联定量，以及借助机器学习和大数据技术提升超声作用全动态仿真方向发展。

• 研究成果为绿色环保高效制备各种新型金属及功能材料提供理论基础和技术支撑。

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三、图表深度解读

图1 超声空化和声流作用机理示意图 [page::1]

• 描述：描绘了超声换能器向液体中发射超声，形成的空化泡在枝晶附近空化生成高压高温区，并产生强烈的声流场，促使枝晶碎断及碎片的运输。

- 解读：表明空化泡溃灭释放的极高温压与冲击波，是促进枝晶碎断的关键动力，声流则促进晶粒均匀分布与偏析改善。

• 联系文本：图片辅佐说明了空化和声流两大非线性效应对金属凝固组织改性的物理机制，直观点明了作用路径。

图2 声衰减系数及声压分布对比 [page::3]

• (a) Commander和Prosperetti计算不同频率下的声衰减，将气泡散射机制纳入，低频段衰减峰值明显。

- (b) Ando等基于实测数据和计算修正版声衰减系数，验证10 MHz以下模型准确度。

• (c) 非线性与线性模型计算声压分布对比，非线性模型显示的声压衰减及空化体积分数更符合实验，且空化区体积小于线性估计，大大提升预测可靠性。

图3 超声功率和频率对声场和空化区域影响 [page::4]

• (a) 不同功率（200 W，400 W，800 W）下液体内空化体积分布，功率提升使空化区明显扩大。

- (b) 20 kHz与490 kHz沿腔体轴向声压对比，490 kHz声压整体更高且衰减更缓。

• (c) 相同半径范围内490 kHz空化体积分数显著高于20 kHz，说明高频超声更利于空化扩展。

图4 不同维度超声作用下的声压和空化区域分布 [page::5]

• 一维二维三维超声下，声压最大值分别约为2.06、3及13.4 MPa，且三维超声形成更均匀广泛的空化区域，空化体积分数由18%增加到67%。

- 说明多维超声有效增加空化强度和覆盖范围，大幅提升材料制备过程的均匀性与效率。

图5 单个气泡溃灭过程实时观测 [page::7]

• 显示气泡从初始球形至快速非球形变形过程及最终分裂成多个小泡，验证气泡溃灭强烈非线性、非球形动态特征。

- 证明经典球形模型有限，数值模拟需加入形变和界面跟踪方法才能更真实反映空化动力学。

图6 三泡和五泡模型中气泡间相互作用影响 [page::8]

• (b) 和(c)显示小气泡最大膨胀半径及最高温度随周围大泡半径变化，表明气泡间强耦合影响局部空化强度和能量释放。

- 提示通过人工调节气泡尺寸与分布可控制空化行为。

图7 正六面体多泡体系形态及压强分布模拟 [page::9]

• 气泡在空间布局中形成动态交互，振荡幅度和压力场反映复杂非线性耦合，空化强度随周围气泡排列差异变化。

- 證明多泡耦合动力学复杂，需先进CFD与声学耦合模型解析。

图8-9 声流模拟及流速对比 [page::11,12]

• 图8展示铝熔体中声流速度场随时间演化，自下向上的高速射流及容器底部扩散环流形成。

- 图9对比20 kHz与490 kHz超声下声流最大及平均流速，发现流速以毫米/秒计，频率变化对流速影响不显著。

图10 多维超声声流分布与相位差调控 [page::13]

• (a) 展示1D、2D和3D超声声流矢量场，3D产生更丰富且强烈的涡旋结构。

- (b) 两束正交驻波声场中相位差不同导致声流流场形态变化，位置与形状受控。

• 提供声流人工调控思路，以实现流动微观环境设计。

图11-13 超声诱导晶核/枝晶形核与凝固场模拟 [page::14,16]

• 图11展现声强及温度对Al-Cu合金晶核数影响，曲线图显示过冷度与声强协同促进形核数目增加。

- 图12示意超声声流和空化对枝晶碎断与组织细化的促进机理。

• 图13表示声流对铝合金熔体温度场和流动场的调控，声流促进熔体对流，形成多涡旋结构，有利晶粒均匀化。

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四、估值分析

本报告为综述性学术论文，无商业估值部分，未涉及金融估值模型。

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五、风险因素评估

虽然报告未专门设置风险分析章节，但基于文中信息可推断：

• 数值模型的精度和适用范围限制是当前研究的主要风险；

- 许多模型仅适用于特定的实验条件和参数区间，模型的普适性和准确性仍需验证；

• 非球形气泡、多泡相互作用、复杂流固耦合机制尚未完全破解，可能导致现有模拟结果偏差；

- 工业化应用过程中，设备耐温、耐功率变幅杆的性能限制也制约技术推广；

• 环境变化（如温度、压力、杂质）对超声效果的影响动态复杂，增加过程控制难度。

缓解策略包括深化非线性声学理论研究，发展多物理场高度耦合模拟，开展工业级实验验证，以及材料和设备工艺创新。

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六、批判性视角与细微差别

• 报告整体中立，全面呈现研究发展和挑战，但多处引用作者自家课题组研究结果，引用比例较高，存在一定学术自我强化风险；

- 积极强调非线性模型优越性，实则高频与强空化条件下模型仍存在偏差，需引起重视；

• 空化效应和声流耦合复杂未能完全解析，当前研究多聚焦于单一或有限物理场叠加，整体多尺度耦合模型建设不足；

- 实验验证数据受到熔体不透明限制，间接验证手段依赖多模型假设，可能掺杂理论先验影响；

• 声流对凝固影响强调较多，空化的高温高压及机械效应在微观组织形成中的具体贡献尚有讨论空间。

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七、结论性综合

本文综述了近年来超声场作用下液态材料特别是液态金属中空化与声流动力学的研究进展。重点论述从声波传播模型演化（线性到非线性）、单/多气泡动力学模拟、声流计算模型到超声对合金凝固过程的宏微观数值模拟等内容。关键信息包括：

• 线性声学模型难以准确反映高强度空化超声声波传播，非线性亥姆霍兹方程显著提升了声衰减及压力场的预测精度（图2c）。
• 超声功率和频率显著调控空化区域和声场强度，多维超声技术实现有效能量叠加，极大提升液体中声压、空化体积和均匀性（图3、4）。
• 气泡空化动力学中，多泡耦合及非球形溃灭是研究热点，气泡间相互作用力和声尾流效应对空化强度及声波传播具有复杂影响（图6、7）。
• 声流场作为促进熔体传热和物质输运的关键外力，受射流功率、变幅杆尺寸形状及容器边界影响，三维超声和声波相位调控均能有效优化声流结构（图8-10）。
• 超声空化诱导的异质及均质形核机制已建立数学模型，模拟结果与实验验证吻合良好，空化效应是促进晶粒细化的主因，声流可促使枝晶向球状晶转化（图11、12）。
• 宏观流动及温度场的耦合模拟说明声流改善了凝固温度梯度和热传递，有助于细化组织和提升材料性能（图13）。
• 综合来看，研究通过理论建模与数值模拟为工业级超声材料制备提供了重要的机理解析和工艺优化依据，未来仍需构建更加全面的多物理耦合模型，并结合机器学习等新兴技术实现高效精准预测。

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总结

本报告从基础声学模型到复杂液态合金凝固多物理耦合，全面系统地解析了超声空化与声流过程的动力学机理及其对材料组织结构的调控，重点体现了数值模拟技术在超声材料制备领域的重要性和发展方向。文章内容详细准确，结合大量文献数据与图表辅助说明，尤其对声场优化、多维超声技术、气泡动力学与金属凝固数字仿真有较深入综述。该报告为科研人员和工业开发者提供了重要参考，助力超声领域理论研究与应用创新。

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