研究背景及超声空化侵蚀机理 [page::0][page::1]

• 超声波在液体中传播产生空化现象，通过高频振动产生数百万微小气泡，对金属表面进行冲击溅蚀实现清洗。

- Vibro Cleaner通过压电换能器输出机械声波，触发液体介质中气泡的形成与爆裂，进而作用于工件表面实现洁净。

建立COMSOL多物理场模拟模型 [page::4][page::5]

• 采用二维轴对称CAD模型，耦合声学和CFD模块，模拟压电换能器激励下的声场、流场及颗粒运动。

- 细化网格确保声波和流场的准确传递，采用频率域模拟声压及声压级，稳态模拟气泡流动及轨迹。

• 研究对象为铝球体清洗工件，钢制罐体参数详实，采用PZT-4换能器输入230V电压，激发28kHz频率超声波。

声场及应力场仿真结果分析 [page::5][page::6]

• 仿真获得最大声压约9.64×10^6Pa，声压级达到260dB，明显高于以往最大101kPa的实验值，显示声场强度大幅提升。

- 钢制罐壁能承受约3.92×10^8Pa的von Mises应力，表示材料足够坚固满足高强度超声激励条件。

颗粒运动与侵蚀率仿真对比 [page::6]

| 侵蚀模型 | 最终侵蚀率 (kg/(m²·s)) | 关键参数设置 |
|---------|---------------------|------------------------------|
| Finnie | 1.92×10^(-5) | 粒子切割系数0.1，正切力比2 |
| E/CRC | 6.77×10^(-6) | 模型系数2.17×10^(-7)，形状系数0.2，指数2.41 |
| Oka | 1.91×10^(-9) | 考虑粒径、速度等多因素 |
| DNV | 1.17×10^(-5) | 系数2×10^(-9)，指数2.6 |

• Finnie模型侵蚀率最高且结果最为严格，适合描述超声空化侵蚀过程。

- 颗粒轨迹及速度场与侵蚀分布显示清洗效果显著，验证了多物理耦合模拟的有效性。

结论与应用价值 [page::7]

• Finnie、E/CRC、Oka、DNV四种模型均考虑了流体力学、颗粒特性及材料硬度因素。

- 28kHz频率下，Finnie模型最佳，模拟超声清洗对金属表面侵蚀机理揭示明确。

• 结果为超声清洗设备设计优化及应用推广提供理论支撑，推动珠宝及快速消费品行业的增值服务。

Erosive Investigation of Various Erosion Models for Vibro Cleaner Developed Based on Ultrasonic Technique Using COMSOL Multiphysics — 详尽分析报告

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一、元数据与概览

• 标题：《Erosive investigation of various erosion models for vibro cleaner developed based on ultrasonic technique using COMSOL multiphysics》

- 作者：Vipulkumar Rokad（通讯作者），Divyang H. Pandya

• 发布机构：Kadi Sarva Vishwavidhyalaya 机械工程系，印度古吉拉特邦 Gandhinagar

- 发布时间：2021年，文章发表于《International Journal of Engineering, Science and Technology》, Vol. 13, No. 2, pp. 33-41。

• 主题：研究基于超声波技术的振动清洗器（Vibro Cleaner）中，不同侵蚀模型对金属表面清洗中侵蚀率的模拟比较，运用COMSOL多物理场耦合仿真平台，探讨超声空化侵蚀机理及其模型适用性。

核心论点：

本文围绕利用超声波引发的空化侵蚀现象，基于COMSOL多物理场模拟平台，分别采用四种侵蚀模型（Finnie, E/CRC, Oka, DNV）对振动清洗器中金属材料的清洗侵蚀效应进行仿真比对。目的在于确定最适合超声清洗应用的侵蚀模型，提供更准确的金属去除率评估，优化清洗效果和效率。最终结论为Finnie模型在参数严苛性及效果预测上最为准确，适用于此类超声清洗研究。

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二、逐节深度解读

1. 引言

• 内容总结：

介绍超声波在液体中传播导致的声空化现象及其在振动清洗器（VC）中的应用，通过压电换能器激发机械声波形成空化气泡，气泡崩溃产生强烈冲击力，清除金属表面污染物。指出影响侵蚀的因素包括撞击角度、粒子流动特性、粒径及形状，甚至流体性质和目标表面材料参数。

• 推理依据：

引用ASTM对声空化定义，结合前人的实验研究和文献综述，说明超声清洗的微观机理即空化泡撞击清洗面的物理过程，从液-固相耦合力学视角支撑其侵蚀机理。

• 关键数据/概念：

无具体数值，重在空化定义与振动清洗器工作原理介绍，载体为高频超声波激励产生的压力波（约$20-400\mathrm{kHz}$频段）及压电换能器的利用。

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2. 技术背景

2.1 空化侵蚀机理

• 关键论点：

气泡受超声引发，经历压力相变导致在液体中产生大量微小空化气泡，这些气泡快速爆炸、震碎，产生局部高压和高温，形成强烈微区能量释放，衬击金属零件表面，完成物质剥离，即侵蚀效果。

• 推理依据：

引用Krella and Zakrzewska (2018)及Ibanez et al. (2020)，提示空化侵蚀是因压力波导致空化泡爆破形成极端压力和温度，从而产生机械和热能侵蚀效应。

• 图示：

图1展示了超声波作用下清洗液中空化气泡的形成及其与部件表面的相互作用，气泡爆炸导致的杂质颗粒剥离示意，标签包含“Acoustic Streaming”、“Cavitation Bubbles”、“Pressure Waves”等。通过该图，直观体现声波-气泡-颗粒-部件相互耦合的清洗机理。

2.2 仿真背景及方程式

• 声场计算：

采用COMSOL的Pressure Acoustic Transient模块，模拟压电换能器产生的机械波通过不锈钢罐壁进入液体介质的传播过程。边界条件中罐壁作为"硬声边界"，内部液体为"软声边界"。压电材料使用PZT-4，为其高机械效率和低介电损耗性能提供理论基础。仿真施加230V电压激励，模拟超声波压力时间变化。

• 流体动力学：

引入CFD模块，实现含气泡二相流的湍流模拟，选用k-ε泡沫流模型，使湍流效应和声流耦合更加真实。利用粒子追踪模块，模拟颗粒运动轨迹，分析粒子如何与工件表面相互作用以造成侵蚀。

• 数学表达式：

展示了多项偏微分方程，涵盖声学波传播方程、动量守恒方程（包含拖拽力、辐射力）及计算侵蚀质量流失的表达式。模型结合介质的密度、模量、颗粒速度、冲击角度等变量。

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3. 各侵蚀模型描述

• Finnie模型：

首创侵蚀模型，视颗粒撞击类似刀刃对金属材料的切削过程，模型考虑颗粒质量、速度、冲击角度对侵蚀量的影响，其函数对撞击角度的依赖反映出不同角度下的能量转化效率。

• E/CRC模型：

针对侵蚀腐蚀联合作用，加入了颗粒形状系数（尖锐度）、布氏硬度等材料参数，将速度影响指数化，更加细化形状和材料响应的差异化。

• Oka模型：

提出角度相关的侵蚀损伤比率，是侵蚀损伤在不同冲击角度对比正常撞击角度的函数，加入材料硬度和颗粒速度的多次幂参数，模型更适合复杂冲击角度分布场景。

• DNV模型：

基于大规模实验与数值模拟，定义单位面积单位时间内的质量损失，使用多项式函数描绘冲击角度，既简化依赖颗粒直径，也适于工程级腐蚀评估。

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4. 方法论

• 研究设计：

构建半径125mm，高200mm，厚2mm的不锈钢圆柱形超声清洗槽CAD模型，内含约10升水。使用PZT-4压电换能器，工作频率28kHz，电压230V。通过耦合声场与湍流流场，实现对空化气泡激发与流体动力的模拟，应用颗粒追踪分析粒子轨迹及对表面侵蚀情况。

• 材料参数表（表格1）：

| 材料 | 密度（kg/m³） | 杨氏模量（Pa） | 泊松比 | 体积模量（Pa） | 剪切模量（Pa） |
|------------|---------------|-----------------|--------|-----------------|-----------------|
| 不锈钢(SS) | 7850 | 2.0×10¹¹ | 0.3 | 1.15×10¹¹ | 7.69×10¹⁰ |
| 铝 | 2700 | 7.0×10¹⁰ | 0.3 | 5.1×10¹⁰ | 2.6×10¹⁰ |

• 仿真模型：

基于2D轴对称简化，采用COMSOL 5.3a版本，细网格划分以保证波传播和流场的高分辨率模拟（元素大小0.1-3mm，增长率1.7，曲率控制0.8）。[page::4,5]

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5. 图表深度解读

图1 — Cavitation Erosion 工作原理示意图

• 描述：

展示液体中产生并传播的声流（Acoustic Streaming）、空化气泡及其撞击部件表面剥离污物的整个过程。

• 解读：

图中气泡分布均匀环绕被清洗部件，声波引发气泡不断生成爆破，清洗液夹带被剥离颗粒上浮带走。动态体现了超声清洗本质是微观高能冲击驱动材质剥落清理。

• 与文本联系：

直观证明了推导的空化侵蚀机理，证实本文仿真模型中气泡物理参数设置和物理过程建模的合理性。[page::1]

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图2 — 几何模型与网格划分 (2D轴对称)

• 描述：

(左图) 清洗槽、夹持物和压电换能器的位置构型（轴对称），(右图) 多细化的二维网格分布，细密网格确保耦合仿真精度。

• 解读：

几何合理满足现实清洗场景，细网格有助于捕捉频繁变化高频声波和流速，确保计算稳定且精细。

• 限制：

2D轴对称假设忽略三维非均匀特征，但利于有限计算成本下获得较高分辨率局部场变量。[page::5]

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图3 & 图4 — 声学计算结果（2D与轴对称3D）

• 图3内容：

二维截面显示声压场（Pa），声压级（dB），Von Mises应力分布。
最大声压接近$9.64 \times 10^6$ Pa，最大声压级约260 dB，应力峰值高达$3.92 \times 10^8$ Pa。

• 图4内容：

绕轴旋转的三维视角图增强几何空间感，声场分布与2D图一致。

• 解读：

极高声压及声压级显示激励功率强烈，超声波在罐壁传递效率高，支持形成有效空化气泡。高应力值表明SS材质能承受强烈振动，保证结构完整。声压远高于文献中$101$ kPa水平，支持高效清洗需求。

• 联系文本：

验证设计的充足激励，声学模块参数设置符合实际超声清洗器性能指标，反应高效能量传递过程。[page::5,6]

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图5 — 流场与侵蚀：速度、粒子轨迹、Finnie模型侵蚀率

• 内容：

速度场非常高（最大约 $1.23 \times 10^3$ m/s），粒子轨迹描绘复杂涡流及流线，侵蚀率在$1.92 \times 10^{-5} \mathrm{kg/(m^2 \cdot s)}$数量级。

• 解读：

高速流验证空化流体动力学效应显著，粒子追踪体现颗粒直接冲击物体表面动因。Finnie模型呈现最大侵蚀率，证明其对颗粒冲击敏感，适合反映超声清洗高强度侵蚀机理。

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图6 — 其他侵蚀模型（E/CRC、Oka、DNV）侵蚀率分布

• 指标：
• E/CRC模型：侵蚀率约$6.77 \times 10^{-6} \mathrm{kg/(m^2 \cdot s)}$，参数考量颗粒形状与速度幂指数。

- Oka模型：极低侵蚀率$1.91 \times 10^{-9} \mathrm{kg/(m^2 \cdot s)}$，对冲击角度敏感，保守估计。

• DNV模型：$1.17 \times 10^{-5} \mathrm{kg/(m^2 \cdot s)}$，中间值，依赖实验数据拟合。
• 分析：

各模型层次不同，Finnie模型对硬度、冲击角度及粒径响应强烈，给出最高侵蚀率。Oka较为保守，适合不同材料情况。E/CRC和DNV介于两者之间，都反映流速、硬度的影响。

• 联系文本：

为同一仿真环境下的统一比较，完备覆盖模型适用性与参数响应，支持结论中Finnie为拟合最严谨、侵蚀效果最显著者。[page::6]

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三、估值分析

本论文主要为理论与数值模型评估，并无传统意义的公司估值。该部分对应为“侵蚀模型适用性与准确性评价”，等同于模型选择的“估价”。

• 通过多模型对比，文章评价了侵蚀模型的物理适用度和数值表现。关键输入参数包括颗粒密度、速度、撞击角度、材料机械性质（硬度、弹性模量等）。

- Finnie模型由于其较全面参数影响考虑（切削力比、切割率等），最终被选定为最具有预测准确性和工程应用价值的模型。

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四、风险因素评估

文章并未专门列出风险评估章节，但隐含风险包括：

• 模型假设限制：2D轴对称简化忽视了实际复杂的三维不均匀波动及流体流动，可能导致局部侵蚀模拟误差。

- 侵蚀参数不确定性：颗粒形状、尺寸、硬度、流场实际条件均受多因素影响，模型参数可能无法完全对应实际现场。

• 仿真误差及数值稳定性：超声波高频振动和液体多相流仿真计算复杂，网格密度选择及耦合策略可能影响结果精度。

缓解策略隐含于选择高性能材料（SS）、采用多物理场耦合、细网格划分，以及对比多模型以提高结果置信度。

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五、批判性视角与细微差别

• 文章将Finnie模型作为最优模型，然而各模型针对不同参数敏感度存在差异，Oka模型极低的侵蚀率可能是针对不同材料或流动条件，未必完全次优。

- 2D轴对称仿真虽然计算效率高，但忽略了三维中非对称性，特别是复杂器件形状对声学场和流动场的影响。

• 论文中未讨论不同清洗物件材料对结果的异质影响，主要以铝材球体为例，泛化程度有限。

- 控制变量多且某些参数取值缺乏详细说明（如颗粒直径分布、具体流动参数），可能限制模型外推。

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六、结论性综合

本论文基于COMSOL多物理场平台，实现了声学Pressure Acoustic Transient模块与CFD模块（含复杂湍流及粒子追踪）的耦合，成功对振动清洗器内的超声空化侵蚀进行了仿真研究。通过引入四个主流侵蚀模型（Finnie、E/CRC、Oka、DNV），在同一物理环境（28kHz，PZT-4换能器，含铝球工件及不锈钢罐壁）下展开比较，得出：

• 超声波产生的声压峰值高达$9.64 \times 10^{6}$ Pa，声压级约260 dB，远超文献值，确保了有效的空化作用。

- 采用细网格和多模块耦合，准确捕获了声场、流场以及颗粒运动轨迹，体现了复杂动能传递机制。

• 四种侵蚀模型计算的侵蚀率呈现数量级差异，Finnie模型预测侵蚀率最高，为$1.92 \times 10^{-5}$ kg/(m²·s)，更具工程实际的侵蚀强度指标，适合作为超声振动清洗器中的侵蚀效应基准模型。

- 论文深化了对超声清洗中空化侵蚀物理机理与参数影响的理解，推动了清洗技术向精细化、模拟化、定量化方向发展，有望助力珠宝和快消品行业等应用场景。

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参考标注

• 文中所有观点均严格对应各页内容标注，格式示例为：[page::1],[page::5,6]，详见逐节解析。

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总结

本文系统地架构并定量研究了超声振动清洗中金属表面空化侵蚀模型，将理论声场、流场和颗粒力学耦合仿真落地于COMSOL平台，详细比较了四种侵蚀模型的适用性，提供了精细数值依据和视觉化仿真结果。Finnie模型因其综合性能而被推荐为超声清洗侵蚀模拟的优选模型。整体报告逻辑严谨，方法先进，结果具备较高实际指导意义，但在复杂三维效应及多样材料参数上仍有拓展空间，值得进一步研究。

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如果需要针对具体图表数据或数学模型做更深入解析，欢迎继续询问。

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