超声波声压波在A356铝熔体中的传播特征 [page::6][page::7]

• 声波呈球形辐射，最高压力峰约4.5 MPa (正峰)和-4.2 MPa (负峰)。

- 压力强度随距离指数衰减，半波长约为11.5 cm。

• 声波被容器壁反射，导致局部压力场复杂干涉。

不同换能器几何对空化发生与塌陷的影响 [page::7][page::8]

• 球形换能器产生更大空化总体气体体积分数，而平面换能器产生更多的泡塌陷活动。

- 空化区近换能器表面具有稳定的浓度层，厚度约6-7 mm，总空化云深度约40 mm。

• 空化区产生显著屏蔽效应，减少传递至远场的压力波能量。

声流的发展、流动特征及其对空化气泡迁移的影响 [page::9][page::10][page::11]

• 声流速度约1.5~1.7 m/s，由换能器沿-z方向向下推进，伴随涡流等复杂流动结构。

- 声流促使空化泡从换能器附近被带入熔体体积，形成更均匀的空化泡分布。

• 5秒后熔体整体形成稳定流动，实现强混合效果。

声流对不同粒子（Al2O3及Al颗粒）分布的影响 [page::12]

• 大小密度差异显著的粒子均随声流迁移，在5秒内实现充分均匀分布。

- 早期粒子轨迹显示典型的循环流动模式，反映声流对粒子输运的强控制作用。

声流对铝合金凝固过程中的热传递与固化行为的影响 [page::12][page::13][page::14]

• 声流加强熔体混合，促进中心热熔体向边界区域输运，形成更均匀温度场，减小温度梯度(119.5K vs 180.3K)。

- 辐射器造成局部冷却效应，导致换能器附近温度降低约10K。

• 促进铸件整体固化加速及细化组织形成。

数值模拟平台FLOW-3D的应用评价及进一步发展需求 [page::16][page::17]

• 模拟结果与实验及文献数据高度一致，可实现二维及三维声学场和流场预测。

- 揭示声流与空化的相互作用及对颗粒输运和凝固的耦合作用。

• 现有空化模型针对高速流设计，需进一步调适以更精准描述UST过程。

- 计算资源需求高，粗网格下部分细节受限，模型未来可针对UST场景做特定优化。

深度解析报告：Ultrasonic Induced Cavitation and Acoustic Streaming in Liquid and Solidifying Aluminum Simulation

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1. 元数据与报告概览

• 标题：Article Simulation of Ultrasonic Induced Cavitation and Acoustic Streaming in Liquid and Solidifying Aluminum

- 作者：Eric Riedel, Martin Liepe, Stefan Scharf

• 机构：Otto-von-Guericke-University Magdeburg，Institute of Manufacturing Technology and Quality Management，德国

- 发布日期：2020年4月4日

• 研究主题：基于计算流体动力学（CFD）模拟工具对铝合金A356中超声诱导的空化和声流体流进行建模与仿真研究，评估超声处理（UST）技术在液态及凝固态铝中的机制及作用。

核心论点与结论总结
本文基于FLOW-3D CFD仿真软件，通过二维与三维模型模拟超声波辐射导入铝合金熔体过程中空化现象与声流体流的产生、传播与演变，探索不同辐射器几何形状对超声现象的影响及声流对固化过程的辅助作用。得出了仿真结果与已有实验和理论研究高度一致，验证了该CFD模型预测能力，同时讨论了模型的能力、局限与未来改进方向。作者强调该工具为铝合金铸造工艺超声处理技术的理解、优化与产业化提供了强有力的仿真支持。[page::0,1,2,16,17]

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2. 逐节深度解读

2.1 引言与相关工作回顾

本章节介绍超声波处理（UST）如何通过空化（空泡的生成、移动及爆裂）及声流现象对轻金属熔体微观结构产生影响，实现细化晶粒和改善机械性能。详细陈述空化对晶核生成、枝晶碎裂、非溶性颗粒润湿和脱团聚的促进作用，并指出声流在增强对流、热质传递和均匀分布中的关键作用。此外，综合列举过去的研究工作，指出当前缺少同时系统模拟空化及声流耦合及三维效应的成熟模型，破题欲利用FLOW-3D开发三维仿真体系并补全模型描述。[page::0,1]

报告提供的表1（按年份、流体类型、软件及研究内容分类）详尽检视过去超声处理相关仿真研究，显示此领域多以二维模拟为主，多强调声流或空化单方面，缺乏综合耦合分析。本文目标是在工业应用背景下补足此缺口。[page::1,2]

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2.2 数值模型（Numerical Modeling）

2.2.1 仿真软件与参数设定

使用FLOW-3D v11.2进行仿真，研究超声压力波的传播（基于半周期波动，0.0001 s），空化（0.01 s）及声流产生与演化（5 s）过程。[page::2]

2.2.2 液体特性及流体力学方程

针对铝硅合金A356液态熔体（973.15 K），表2详细列出密度(2437 kg/m^3)、黏度(0.0019 kg/m/s)、热导率(86.9 W/m/K)、声速(4600 m/s)等参数。利用改写的质量守恒方程结合声速压缩因素求解声压场，夯实声波传播的数学基础，加入湍流扩散项模拟流场复杂性。[page::2,3]

2.2.3 物理模型选择

应用多物理模型，包括：

• 泡沫及相变模型（假设气泡的绝热膨胀γ=1.4）

- 空化模型基于传输方程描述气泡的产生与消散（空化产生系数0.02，消散系数0.01）

• 表面张力（0.871 kg/s2），接触角90°

- 假定空化泡内气体为氢气，利用理想气体方程计算密度为0.025 kg/m3（温度973.15 K）。

• 湍流模型采用层流模拟，验证不同湍流模型对计算无显著影响。

- 超声辐射器运动采用广义运动物体模型（GMO），参数为20 kHz频率，峰峰位移35μm。[page::3,4]

2.2.4 简化与假设

为保证计算效率，忽略了气泡开裂、合并及动态膨胀、非平衡蒸发冷凝过程，认为在铝-氢气体系中相关效应可忽略不计。该简化减少了模拟复杂度，但不影响对宏观声流与空化气泡群的整体预测。[page::4]

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2.3 模拟几何及边界条件

2.3.1 几何构造

• 流体体积设计为100×100×100 mm³，容器壁作为绝热边界

- 辐射器为陶瓷材质，直径22 mm，长60 mm，浸入深度30 mm，温度同流体

• 粒子源位于辐射器下方10×10×2 mm³区域，模拟Al2O3和铝不同密度粒子生成均匀分布，数量各400个/s。

- 网格尺寸最细为1 mm，涵盖约110万个单元格，满足对流体及声波细节解析的需求。[page::5]

2.3.2 固相化耦合模型

考察结晶过程的耦合模拟，选用ThermoCalc预计算冷却曲线，实现冷热耦合。模拟区域缩小至整体体积1/4，网格尺寸2 mm，方便展现固化声流的宏观影响。[page::5,6]

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2.4 时间步长与计算策略

依据频率确定最小时间步长，保证对20 kHz超声运动的捕获。对于压力波传播、空化与声流仿真分别设置不同最大时间步，分别为3.91×10⁻⁷ s、1.56×10⁻⁶ s和1.25×10⁻⁵ s，平衡精度与计算量。[page::6]

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2.5 主要结果剖析

2.5.1 超声压力波传播

图3展示了不同时间节点（3 μs，25.8 μs，62.5 μs）下声波的产生及传播。

• 负压在辐射器正下方迅速产生几兆帕的下降，随后正压力波在-z方向扩散。

- 球状辐射器使声波在xy方向也能扩散，声压强在辐射器中心达到峰值4.5 MPa（正压）和-4.2 MPa（负压）。

• 距离越远，压力衰减呈指数规律，与理论匹配良好，半波长约11.5 cm，边界导致波的反射及干涉，形成复杂波场。[page::6,7,14]

2.5.2 空化现象

图4与5对比平头与球头辐射器下的空化发展：

• 球形头产生的空化气泡体积分数为平头的两倍左右，显示空化区域更大。

- 平头虽空化区小，但气泡塌陷频率（激烈度）显著更高，表明空化强度分布不同。

• 空化区多集中于辐射器下方，厚约6-7 mm区域持续活跃，远处空化逐渐衰减。

空化模型对波传播的衰减（屏蔽效应）证明了空化云作为波能“屏障”作用，减少远端负压峰值，差异近4倍（图6与7）。这与实验观察吻合，但空化区气泡分布均匀的细节仍因网格限制有所偏差。[page::7,8,9,14]

2.5.3 声流发展

图8-11展示了声流速度场和流态随时间的演化：

• 流速前期达1.5-1.7 m/s，约0.1 s内流体底部被冲击，流体受阻速度降低至0.6-0.7 m/s，流体循环驱动流场形成强边壁回流。

- 5秒后，流体整体实现混合，涡流明显，验证了流体动力的复杂性（图10）。

• 空化气泡在流场中被拖拽分散，空化区体积分数随距离衰减，部分气泡稳定得以扩散分布。[page::9,10,11]

2.5.4 颗粒输运

图12模拟两类不同尺寸密度颗粒（Al2O3和铝）在声流中的分布

• 无论粒径大（20μm铝）或小（0.1μm氧化铝），均能随声流循环辐射，5秒后均匀分散。

- 可模拟超声辅助铝基复合材料制备时颗粒分布，有助于预测声流驱动下的颗粒均匀性。[page::12]

2.5.5 固化耦合

图13与14比较了有无UST情况下，A536合金的温度场与流体运动

• 施加UST（声流作用）时，温度场更均一，流动带动把来自辐射器附近的高温熔体向边界传输，减缓了固化过程中的热梯度形成。

- 减小热梯度由平均119.5 K降至180.3 K，加速整体凝固进程。

• 辐射器本身具有冷却效应（降温约10 K），也影响局部热场。

- 声流加强内部对流，有利细化铸件组织结构同时缩短冷却时间。[page::12,13,14]

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3. 图表深度解读

• 图1与2：清晰展现两种主要仿真模型的几何结构，体积大小及边界定位，确立CFD模型基础。严谨的网格划分（多达百万单元）为高精度仿真奠定基础。[page::5,6]

- 图3：多时间截面声压强变化，色标展示从高正压至强负压，证明声波传播有较强时空非均匀性，模拟贴合物理理论与先前实测。[page::7]

• 图4和5：展示辐射器几何对空化体积和激烈度的双重影响；图5a与5b曲线具备良好时间尺度解析性能，揭示空化量与动态的差异性。[page::7,8]

- 图6与7：证明空化云对压力波的显著衰减作用，阐释声波与空泡相互作用，演示了空化“屏蔽效应”清晰物理意义。[page::8,9]

• 图8-11：综合展现声流的速度场演进，流态逐渐从直线流发展成复杂涡流，速度峰值、空间占比和时间变化关系被逐帧详述，结果与粒子影像测速（PIV）实验数据表现良好一致。[page::9-11,16]

- 图12：粒子动态颜色映射+3D分布扫描，详细阐明声流对不同粒径密度物质的作用机制及输运路径，实验应用广泛。[page::12]

• 图13和14：固化过程中温度与流场对比，实证UST影响下热场均一性及固化速率变化，图例清晰，色标量化准确，充分揭示物理机制。[page::13]

- 图15和16：提供温度梯度和均温曲线分析，加量化评估声流对热传递和局部冷却效应体现，[page::14]

• 图17：仿真流场渲染与PIV实测图对比，图像细致，说明CFD模型对实际流场有较强还原度。[page::16]

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4. 估值分析与模型评述

估值方法
报告未涉及金融估值，但对流场及声学仿真模型进行了深入分析，所用数学模型和数值方法为：

• 流体动力学基于修改连续性与Navier-Stokes方程

- 空化模型为经验性传输方程，含空化产生与消散系数

• 声波传播利用压缩性流体动力方程，密度与压力线性相关

- 广义运动物体模型（GMO）实现辐射器的动态激励条件

关键假设

• 空化气泡内氢气绝热膨胀，忽略气泡动态形变及非平衡相变

- 材料物理参数固定，忽略温度对粘度变化的复杂影响

• 采用层流模型，基于较粗网格，无法捕捉微尺度湍流现象

- 辐射器动量输入完全通过模拟，未涉及电声转换机理

模型优势及限制

• 优势：三维、多物理场耦合、支持粒子输运，兼容多种边界状况，灵活调节模拟参数

- 局限：空化细节处理较粗略，空泡分布均质化；网格细化计算成本极高，尚不能开展超高分辨率模拟；部分模型理论基于高速流体，适用性对UST特定环境需优化。[page::16,17]

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5. 风险因素与不确定性

• 数值不确定性：网格尺度与时间步长限制一定程度影响模拟精度，网格独立性验证仅二维完成，三维计算受限。

- 模型简化风险：气泡开裂、合并、非平衡气液相变被忽略，可能影响瞬态空化与声波耦合响应。

• 参数依赖：空化生成/消散系数默认值，需针对铝合金体系进一步调整与实验验证。

- 物理假设风险：选择层流模型忽略湍流动力学，可能低估实际流场的混合强度。

• 计算资源限制：高精度三维仿真时长周期长，计算资源需求大，限制对工艺参数空间大规模探索。

- 报告未详细说明对风险的定量概率评估或缓解策略，但提出未来改进方向明确体现风险关注。[page::16,17]

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6. 批判性视角与细微差别

尽管报告整体方法系统且详尽，但仍有以下关注点：

• 放弃更细网格及多参数湍流模型测试，或可能遗漏部分复杂流动机制和立体空化动态，推荐后续研究中补充。

- 对空化气泡内声速未考虑实际值，导致声波传播在空化区表现异常均质，需引入更细颗粒、多尺度模拟以贴合实验。

• 空化气泡产生和破裂机制的模型方程适用性存在待验证风险，当前模型是高速流假设的经验公式，对缓慢波动与振荡场适应性还需证明。

- 对辐射器温度对整个熔体热场的影响及热力耦合效应的讨论还较少，有必要对辐射器与流体热交换进行更深入探究。

• 加强粒子对流场反馈的模拟（当前流体驱动粒子，未反向作用），可更真实地再现实验中颗粒动力学。[page::17]

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7. 结论性综合

该研究使用FLOW-3D CFD软件实现了铝合金熔体中超声诱导空化与声流现象的三维耦合模拟。

• 软件成功捕捉了声波产生、传播、反射及回声效应，与理论声波传播规律和实验测量吻合。

- 空化云形态和强度模拟揭示不同辐射器结构下的显著差异，且空化区实质上对声波产生屏蔽，减少远端负压力。

• 声流发展过程模拟展现高速主流与复杂涡流结构，推动熔体内颗粒及气泡的输运与分散，验证了工艺强化机制。

- 超声辅助固化过程中，声流显著强制内部对流，降低温度梯度，缩减凝固周期，表明UST有助于提高铸件组织均一性和性能提升。

• 该工具的灵活性支持二维和三维输出，且参数可调，可辅助工艺设计，缩短实验开发周期。

- 同时，模型存在空化气泡内部动力学简化、网格分辨率不足、湍流模拟不足等限制，需未来优化。

综合来看，此CFD模拟框架提供了工业铝合金超声处理的强大理论工具，助力理解空化及声流的复杂作用机理，为铸造技术升级提供精准指导和预测；合理掌握其局限性，有效结合实验验证，将助力超声熔炼工业化的加速推广。[page::0-18]

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参考图表

图1 – 仿真几何体及网格

图3 – 不同时刻声压分布

图4 – 空化云及 Bubble Collapse

图6 – 空化云屏蔽效应对压力波

图8 – 声流发展

图12 – 颗粒分布与传输

图13 – UST影响下固化温度场与流场

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总体评价

本报告非常详尽系统地搭建了超声处理复杂物理机制的多尺度、多物理场耦合CFD模型，突破过去二维及孤立模拟局限，首次实现铝合金流体中空化与声流三维耦合动态预测，展示了随时间演变的空化气泡结构、声流速度场及其对固化过程的影响。数值结果与实验和理论均高度契合，展示模型较强可靠性及预测能力。报告对数值方法、物理假设及模型简化有深入讨论，体现科研严谨。后续加强模型细节（空泡动力学、多尺度变量分辨率、湍流影响）、扩大计算能力将助推超声处理工业应用和工艺设计升级。

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（全文所有推论均带页码溯源，以便于追查确认。）

报告