四源超声波显著扩展有效空化区面积 [page::3][page::4]

• 单源超声有效空化区主要集中于超声波棒端部小球形区域。

- 四源超声通过波的叠加产生协同效应，扩大了空化区域，最佳振动源间距为80mm，空化面积最大。

• 声压在轴向和径向的衰减均减缓，四源超声声压远高于单源。

振动源间距对声场和声流结构的影响 [page::5][page::6]

• 振动源间距 $Lv$ 改变导致空化面积和声流速度先增大后减小的非线性变化。

- $Lv=80$ mm 时，最大流速1.48 m/s，平均流速0.45 m/s，声流结构最为稳定复杂，形成角状涡旋。

• 该位置下多涡旋结构增强流动均匀性和搅拌效果。

物理实验验证超声空化与声流分布趋势 [page::6][page::7]

• 甘油-水溶液实验显示四源超声空化泡数量更多且分布更广，最佳距离同样为80mm。

- 追踪粒子实验展现四源超声流动范围更广，颗粒分布更均匀，验证仿真结果准确。

• 单源超声的流体扰动和空化区明显不足。

多源超声增强机制与优化设计意义 [page::7]

• 多源超声通过相位相同的波叠加形成更强声场，产生多个高能区和复杂流动，显著提升超声处理效率。

- 振动源间距为80毫米时空化和声流效果最佳，为工业熔体超声处理多源设计提供理论基础。

金融研究报告详尽分析报告 —— 《Distribution pattern of acoustic and streaming field during multi-source ultrasonic melt treatment process》

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1. 元数据与概览

1.1 报告信息

• 标题：Distribution pattern of acoustic and streaming field during multi-source ultrasonic melt treatment process

- 作者：Xiao-gang Fang 等，所属机构包括合肥工业大学材料科学与工程学院，教育部高性能铜合金材料及加工工程研究中心，华中科技大学材料成型与模具技术国家重点实验室

• 发布日期：2023年，发表于《Ultrasonics Sonochemistry》相关期刊，文献编号1672-6421(2023)05-452-09

- 主题：多源超声波熔体处理过程中声场和流场的分布规律，具体研究铝熔体中的超声功效及其优化，重点关注单源超声（SSU）与四源超声（FSU）的对比效果。

1.2 核心论点与目标

• 报告核心关注单源超声波（SSU）处理铝熔体时存在的能量衰减快、作用范围受限的问题，通过建立单源与四源超声（FSU）在铝熔体中的传播模型，结合数值模拟和物理实验，探究不同振动源间距（$L{\mathrm{v}}$）下的声场和流场分布规律。

- 研究发现：FSU能够显著扩大有效空化区，有效减弱声能衰减，优化声流场结构，增强搅拌效果，其中当$L{\mathrm{v}}=80~\mathrm{mm}$时，声空化与声流效果达到最佳。

• 报告旨在为多源超声熔体处理的工艺设计提供理论依据，[page::0,1,2,7]

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2. 逐节深度解读

2.1 引言部分

• 核心观点：超声熔体处理（UMT）广泛应用于铝镁合金的脱气、过滤和细化晶粒，主要物理效应包括空化、声流、过热和共振，其中空化和声流被认为是影响合金凝固结构的关键机制。

- 问题定义：单源超声处理时，声压随距离呈指数递减，导致有效作用范围有限，空化区集中在超声震杆末端，小区域内能量衰减快，流场单一。

• 背景引用：文献显示SSU空化区及声压递减特性，指出限制的本质在于声能的快速衰减和流场结构的单一性[page::0]。

2.2 多源超声技术的发展及研究动机

• 新技术动向：近年来采用增加超声源数量、改变超声维度、结合其他物理场等多种方式试图减缓能量衰减，尤其多源超声技术在大尺寸铝合金铸锭工业生产上取得尝试。

- 研究空白：现有工业应用多应用振动源间距较大（>480mm），导致超声效果分离，无重叠协同效应。缺乏对临界间距$L{\mathrm{v}}$的理论和实验研究，难以精准优化多源超声的协同效果。

• 研究目标：构建SSU和FSU的三维声场模型，基于CFD数值模拟研究不同$L{\mathrm{v}}$（30~100mm）对空化及声流场分布的影响，结合实验验证[page::1]。

2.3 数值模拟方法

• 模型建立：采用COMSOL Multiphysics，基于Helmholtz方程及声压边界条件，模拟铝合金熔体（直径220mm，高180mm）中四个并行超声震杆的声场和声流。

- 关键参数：铝熔体温度700℃，密度2375 kg/m³，声速4600 m/s，动态粘度1.0×10⁻³ Pa·s，振动频率20kHz，总功率1600W。

• 声场模拟：依据波动方程，耦合超声源振动边界，计算声压分布。考虑声波叠加、相位设为零实现协同震动。

- 声流模拟：基于质量、动量守恒方程结合音频辐射力作用计算流场稳定态分布，边界条件设置为无滑移和滑移壁面，模拟声流诱发的流速和涡旋结构[page::1,2]。

2.4 物理实验设计

• 实验目的：验证数值模拟的准确性。

- 模型介质：
- 70 wt.%甘油水溶液模拟铝熔体空化效应，通过观察气泡数量与分布验证空化效果。
- 聚苯乙烯微粒（直径500μm，密度1.04）作为示踪粒子用于观察声流效果，利用高速摄像机捕捉粒子运动轨迹。

• 实验设备及参数：透明烧杯容器，单源与多源超声处理，多个不同$L{\mathrm{v}}$设置，保证频率、振幅以及相位与仿真一致[page::2].

3. 结果分析

3.1 有效空化区分布

• 定义：有效空化区为声压>1.1 MPa的区域。

- SSU结果：有效空化区集中于超声震杆末端小球形区域，声压随传播距离快速减弱（<20 mm处降至1.1 MPa以下）。

• FSU结果：四源超声在特定$L{\mathrm{v}}$下产生空化区明显扩展。特别是当$L{\mathrm{v}}=80~\mathrm{mm}$时，协同效应最强，空化面积最大。$L{\mathrm{v}}$过大（>90mm）时，作用区分散，协同减弱。

- 声压沿轴向和径向变化：FSU声压衰减缓慢，径向声压显著提升，达到1.0 MPa以上，远高于SSU最大0.4 MPa的径向声压。

• 定量指标$k$：定义有效空化面积比，随$L{\mathrm{v}}$变化呈抛物线，最大值约在$L{\mathrm{v}}=80 \mathrm{mm}$附近，拟合结果$R^2=0.93478$，表明模型拟合良好。

- 解释：多源超声振动波叠加形成相干增强，产生更大声场振幅与复杂声场分布，显著提升空化区及声场强度[page::3,4,5].

3.2 声流场分布特征

• SSU流场：流速集中于声源末端，形成两个涡旋，平均流速仅0.24 m/s。

- FSU流场：涡旋数量随$L{\mathrm{v}}$增多至四个，空间范围扩展，流速加强。$L{\mathrm{v}}=80~\mathrm{mm}$时最大流速$V{\mathrm{max}}=1.48$ m/s，平均流速$V{\mathrm{avg}}=0.45$ m/s，显示流速和流场结构均显著优化。

• 流体力学机制：声辐射力使流体沿声源末端喷流方向流动，边缘形成相反方向旋涡，增强混合与搅拌。

- 结论：FSU减缓声压衰减，拓宽空化区，改善流场复杂度和强度，优化熔体处理效果[page::5,6].

4. 物理实验验证

4.1 甘油水溶液空化试验

• SSU：气泡数量少且集中，泡云区域小。

- FSU：气泡数量显著增加，聚布区扩大，整体空化范围随$L{\mathrm{v}}$增加扩大，$L{\mathrm{v}}=80$ mm时气泡数量最多、覆盖最广；进一步增大$L{\mathrm{v}}$气泡数目减小，空化区分散。

• 实验证明：物理实验空化区与模拟有效空化区高度一致，验证了模型的准确性[page::6,7].

4.2 示踪粒子流场试验

• SSU：示踪粒子升降缓慢，分布不均匀，流场弱。

- FSU：示踪粒子呈明显的回旋涨落分布，范围扩展，流场活跃度显著增加。$L{\mathrm{v}}=80$ mm时示踪粒子分布均匀覆盖整个液体，声流效果最优。

• 结论：实验视觉流场变化支持模拟结论，强化了多源超声流场优化的科学依据[page::7].

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3. 图表深度解读

图1（page 1）

• 描述：显示FSU装置构造及几何仿真模型，四个直径20mm的超声震杆等距沉入铝熔体中，标注了不同震源间距$L{\mathrm{v}}$。

- 意义：为后续模拟设置提供几何基础，反映实际尺寸及振动源布置。

表1（page 2）

• 描述：列出了铝熔体的关键物理参数，例如温度700℃，声速4600 m/s等。

- 意义：为数值模拟声场和声流提供物理输入，保证模拟的准确性和现实相关性。

图2（page 2）

• 描述：展示了声场模拟的中心截面及有限元网格划分，网格细密保证计算精度。

- 意义：保证模拟空间细节，支撑计算结果有效。

图3&4（page 3、4）

• 描述：图3展示了不同$L{\mathrm{v}}$下的顶部视角有效空化区，图4为正面截面视角。

- 解读：SSU局限于单点小范围，FSU空化区明显扩展，出现多来源叠加的联动扩散区，验证了协同空化效应。最大空化区在$L{\mathrm{v}}=80$ mm时出现。

• 联系文章论点：支持多源超声对单源空化增强的核心结论。

图5（page 4）

• 描述：声压随传播距离的衰减曲线，分别为轴向和径向。

- 解读：SSU声压快速衰减且低，FSU声压维持高值且径向增强，特别是径向声压高达1.0 MPa以上，显示FSU有效覆盖更大范围。

图6（page 5）

• 描述：$L{\mathrm{v}}$与有效空化面积比$k$的拟合关系曲线。

- 解读：呈抛物线趋势，有明显峰值80mm附近，R²=0.93478说明拟合良好，提供优化设计指导。

图7（page 5）

• 描述：声流场分布图，箭头表示流向，色彩深度表示流速大小。

- 解读：SSU流速集中且弱，FSU流场扩展且多涡旋形成，最高流速也出现于80mm，显著提高搅拌效率。

图8（page 6）

• 描述：不同$L{\mathrm{v}}$下最大和平均流速。

- 解读：均在$L{\mathrm{v}}=80$ mm附近达到峰值，与空化面积峰值相对应，佐证协同振动优化超声效果。

图9&10（page 6、7）

• 描述：物理实验中甘油水溶液空化云和示踪粒子运动图像。

- 解读：实验影像直观显示空化区和流动扩展趋势与数值模拟一致，$80$mm间距下空化最明显，流动最广泛均匀，验证了仿真结果。

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4. 估值分析

本报告为技术性科学研究报告，未体现典型金融估值内容，无市盈率、现金流折现估值、可比公司估值等财务模型应用，不涉及目标价设定。

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5. 风险因素评估

报告未专门设风险章节，但从技术内容隐含风险因素包括：

• 模型假设风险：声场模拟假设Al熔体为均匀液体，忽略了可能存在的非均匀性及气泡动态变化，且四个声源相位相同，实际相位抖动可能降低协同效果。

- 实验材料替代风险：甘油水溶液和水中示踪粒子的物理特性不能完全等效高温液态铝合金熔体，其粘度、气泡行为及声速差异可能导致实验与实际不完全一致。

• 设备实际应用风险：工业规模下，具体振动源安装及控制存在难度，震源间距优化需考虑实际装置限制。

报告未详细描述缓解措施或发生概率，但通过实验与数值模拟结合方法降低模型单一带来的不确定性[page::7,8]。

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6. 审慎视角与细微差别

• 报告聚焦于多源超声技术优势，强调$L{\mathrm{v}}=80$ mm的最优性，未涉及不同频率、相位差等参数对结果的影响，存在参数单一的局限。

- 数值模拟中震源相位为零，现实工业情况中难完全同步，可能导致实验效果波动，报告未详细讨论该变量的潜在影响。

• 实验验证采用替代液体模型，缺少直接在真实铝熔体中的观测，存在一定推断性质，但结合现有文献支持，结果具有较强说服力。

- 多图中某些图片编号出现异常标注（如“${\mathfrak{s o}}{\mathfrak{m}}{\mathfrak{m}}$”），应为“80mm”等字样，疑为排版错误，未影响整体结论。

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7. 结论性综合

本文通过建立三维数值模型，结合物理实验系统较全面地揭示了多源超声熔体处理过程中的声场与声流场分布规律。核心发现表明：

• 四源超声（FSU）通过多振动源协同作用，显著缓解单源超声（SSU）中普遍存在的声能快速衰减和作用范围局限问题。

- 在相位同步、振动源等距布置条件下，空间间距对声效有显著影响，$L{\mathrm{v}}=80~\mathrm{mm}$时产生最大有效空化区和最强声流，流速提升1.5倍以上，涡旋结构更复杂均匀，显著增强熔体搅拌和均匀性。

• 物理实验（甘油水溶液的空化气泡与水中示踪粒子分布）强烈支持模拟结果，证实该振动源间距带来的协同效应优势。

- 该研究为多源超声熔体处理工艺设计提供了理论框架和实验依据，指导工业规模应用振动源布局优化。

整体而言，报告系统展示了多源超声技术的声学优势及优化原则，结论基于严密仿真及实验验证，具有较高科学价值和应用指导意义[page::0~8]。

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致谢与声明

研究经国家自然科学基金、安徽省自然科学基金及中央高校基本科研业务费资助，作者声明无利益冲突。

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参考文献

报告引用了大量国内外相关领域文献，涵盖超声材料处理机理、数值模拟方法及工业应用实例，为研究提供了坚实的文献基础。[page::8]

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总体评述

稿件结构科学，逻辑连贯，声学模拟和流体模拟均方法得当且参数详尽，物理实验验证设计合理。图表清晰刻画了关键特征，数据支撑充分。唯一不足是未涉及更广泛参数影响及实验中实际铝熔体观测，未来研究可扩展参数范围和工业实际测试验证。

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以上为对《Distribution pattern of acoustic and streaming field during multi-source ultrasonic melt treatment process》报告的详尽分析解构。

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