功率超声在催化领域中的应用

简述了超声波技术的基本机理,着重介绍了功率超声在催化反应、催化剂的制备及再生过程的运用。并探讨了其发展趋势。     

平行与交叉双声束声场中的声化学反应研究

给描述超声空化效应动力学过程的Noltingk-Napprias方程增加了一个表征外界随机微扰的修正项,通过对这个方程的解发现,声场施加微扰后,可使空化的空化泡数量增加。在此理论基础上,设想采用交叉双声束声场实现对声场施加微扰。实验结果证实,采用交叉双声束声场后声场中的声化学产额(分别以溶液pH值改变,电导率改变表征)较平行双声束声场增加约11%~13%不等。这一结果对于声化学反应器提高声化学产额有意义。     

超声空化及其在石油工业中的应用

空化是超声技术应用于各个领域发挥其作用的核心效应,声空化机制是声化学的主动力。在超声正负交变声压下,液体介质中的微泡成长、压缩至溃破的过程中,会形成局部的高温高压、强烈的冲击波和高时速射流,使得介质能产生各种物理、化学和生物效应,如乳化、离散、凝聚等,这样的条件为一些化学反应开启了新通道,从而很好的应用于石油领域。     

圆球型声化学反应器内声场的数值模拟与实验研究

利用计算流体动力学CFD商业软件-FLUENT,以多相流模型中的混合物模型(Mixture)为基础,并耦合空化模型,对自主开发研制的圆球型超声化学反应器内空化场进行了数值模拟。反应器内空化场为液态水和空化汽泡二相流动问题,研究了空化模型参数的影响,对数值模拟的结果包括超声振动时的压力场、气含率场的分布进行了分析讨论,并与声压测量实验及铝箔空蚀实验结果比较,实验数据和模拟结果基本吻合。空化模型中,不可压缩气体的质量分数越大,水中O点处的气含率越高,压强波动幅度越小;水的饱和蒸汽压越高,O点处的气含量越大,且波动幅度越大,但压强幅值变化程度越小。本项研究表明CFD技术的应用对于超声声场分析具有重要的参考价值,对声化学反应器设计理论的发展具有指导意义。     

环向偏角状态下超声内检测探头阵列声场模拟分析

压电超声内检测器检测含缺陷管道时,压电晶片加工、探头装配、管道几何结构不标准会导致探头与被检测管道处于环向偏转状态,对检测精度有显著干扰。基于超声内检测实验条件,采用COMSOL软件在0°～5°范围内建立环向偏角状态下的探头阵列声场有限元分析模型,研究环向偏角对声场特性的影响规律。结果表明：探头表面处声功率的模拟与实验数据最大偏差为1.54%,精度满足研究需求;随环向偏角增大,缺陷表面回波的声功率在0°～1°范围内锐减、在1°～5°范围内呈指数式递减;探头有效检测的临界环向偏角值为5.66°,大于工程上可能出现的最大偏角3.97°,该型检测器在工程应用时环向偏角不会导致检测盲区。     

超声强化在催化剂制备及催化反应中的应用

超声空化作用产生的极端微环境可以强化界面间的化学反应过程和传质及传热过程,使声化学反应表现出极大的优越性。在催化剂制备过程中,超声空化现象及附加效应可以改善催化剂的表面形态和表面组成,提高活性组分在载体上的分散性,从而明显改善催化剂的催化性能等。综述了近年来超声强化在催化化学领域应用研究的新进展,包括超声技术在催化剂制备及催化反应中的应用,并探讨了超声强化应用中存在的问题及发展趋势。     

超声辅助制备SBS改性沥青空化泡数值模拟与性能研究

超声空化效应可以促进沥青的改性,利用Fluent流体仿真软件,对熔融SBS改性沥青流体中超声空化泡进行数值模拟,分析了单个空化泡在膨胀-压缩一个周期内的形态变化以及整个流体域的压强变化,从而计算出单个泡压缩或溃灭时产生的瞬时的高温高压环境以及释放的能量。同时结合超声辅助制备SBS改性沥青实验,通过常规性能的测试,说明超声能提高其高低温性能;离析实验以及荧光显微图像说明超声能细化SBS颗粒,改善SBS颗粒在沥青体系的分散效果;老化后的黏度变化和老化前后的FTIR说明了超声工艺可以提升改性沥青的抗老化性能。     

超声电化学技术在纳米材料制备中的应用进展

对超声电化学方法在纳米材料的制备方面的应用和研究进展做了较全面的综述:介绍了超声电化学的作用机理及反应装置,着重介绍了金属、半导体、有机聚合物、生物材料等纳米材料的超声电化学制备的原理以及超声波作用的效果。超声电化学可以利用超声波的空化作用影响电极的表面状态以及电极反应,从而有利于制备形貌、尺寸均匀且可控的纳米材料。     

多超声振子作用下气泡动力学数值模拟

超声对强化吸收制冷循环中发生器内溴化锂水溶液沸腾传热有重要意义,目前开展的相关研究较少,尤其多超声振子气泡动力学方面的理论尚未报道。为探究振子数量对溶液空化特性的影响,构建多振子气泡动力学模型,以纯水为例验证了模型准确性,探讨了不同影响因素对溶液空化特性的影响。模拟结果表明：总声强为1 W/cm²,振子数量由1增加至5时,空化气泡最大半径增加了44.12%,振子数量达到24～25个时,气泡最大半径增加率仅为1%;发生压力对空化效应的影响随着振子数量的增多而增大,单振子在吸收制冷系统的真空发生器更易产生稳态空化,而多振子更易在真空发生器内产生瞬态空化;多振子频率均匀度越小,空化强度越大,声强均匀度对空化强度的影响可忽略。     

超声化学法在纳米材料制备中的应用及其进展

介绍了运用超声化学法制备纳米材料的基本原理及其相对于其它传统的方法所具有的优势,综述了超声化学沉淀法、超声喷雾热分解法和超声电化学法等在纳米材料制备中的应用及其进展。最后对超声化学法制备纳米材料的发展方向提出了展望。     

超声波电镀的研究进展

阐述了超声波的工作原理,介绍了超声波在电镀前以及单金属电镀和合金电镀方面的研究应用。超声波电镀不但可以改善镀层与基体的结合力,还能细化晶粒,改善镀层表面的粗糙度,扩大电流密度,提高电流效率,得到性能更佳的镀层,有很好的应用前景。     

低频超声清洗中声压的时域特征及发生器对其的影响

对于超声清洗设备的生产者和使用者来说,了解声场信号的特征有助于正确地测量超声场并合理地评价超声清洗设备。使用水听器对低频超声清洗声场的声压进行了测量,分析了声压信号的时域特征,并研究了超声波发生器对声压信号的影响。结果表明:低频超声清洗声场的时域声压波形具有宏观上的周期性和微观上的随机性两大特点;超声波发生器直接影响着清洗机的声场特性。     

超声波技术应用现状

阐述了超声波的特性和基本原理,探讨了目前超声波在废水处理、医疗、防除结垢、纳米材料制备等方面的应用现状,指出超声波技术将会在纳米粉体材料的研制方面发挥巨大的作用。     

超声波对养殖废水中海水生物饵料杀灭效果的研究

在超声波破碎过程中,超声波的超声时间、超声功率及水样体积对其杀灭率及其海水水质理化指标都有一定的影响,我们对此进行了研究分析,结果表明,超声时间越长、超声功率越大、水样体积越小,其杀灭率越高、水中溶解氧越低、水温越高、pH值保持稳定,但也有一个最佳超声时间和超声功率,即:频率为22kHz、变幅杆直径为6mm时,功率为800W、时间为120 s时杀灭率最大。     

组织工程多孔支架微管内流场数值模拟

骨支架内部微管结构对营养液和细胞在其内部的流动有着非常重要的影响。利用流体计算软件Fluent对不同尺寸的人工骨微管结构内部营养液和细胞的流动状况进行了数值模拟,得到了不同几何结构骨支架内部流场的速度和压力分布图。结果表明,从进口到出口,主管道内流体流速随管道的深入不断减小。上端浮克曼管中流体流速比下端浮克曼管中流体流速高,但是比同一高度主管道内流体流速低。哈佛氏管与第一行浮克曼管交叉处下端的哈佛氏管内存在流动缓慢区,第三行浮克曼管与哈佛氏管交叉处开始,流体速度不断增大。随浮克曼管长度的增加,上端哈佛氏管中流体流动的缓慢区减小;随浮克曼管直径的增加,浮克曼管中的流速有所增加,并且各微管中流体的流速更为均匀;随浮克曼管与主管道夹角的增加,骨支架各微管内流体流速更加均匀,利于细胞和营养液在各管道的输运。本数值模拟范围内,最佳骨支架结构参数为浮克曼管长度3mm,直径0.6mm,浮克曼管与主管道夹角90°。     

超声清洗领域新拓展--超声防垢

采用大量最新研究成果和实验资料,介绍了超声防垢机理、性能及抑垢能力,揭示了超声波在线清洗之奥秘。     

液氮超声空化CFD模拟及实验研究

基于计算流体力学（CFD）和实验方法,研究频率为20 kHz的超声波诱导的液氮空化特性。数值建模采用Mixture多相流模型,Singhal空化模型和Realizable k-ε湍流模型,并通过动网格方法实现边界正弦振荡来模拟超声波发生器界面。模拟计算获得超声空化结构的周期变化特性,与实验观察相比发现现象上一致性较好。基于数值结果,分析了超声影响区压力和温度等参数的变化特性;发现由于热效应,使得液氮超声空化相比水超声空化具有不同特性。模拟了振子振幅、超声频率及系统压力等参数对空化的影响特性,并提出超声波诱导的空化数表达式,结果证明空化数越小越容易发生空化。计算结果深入揭示了液氮超声空化机理。     

空化射流流场数值模拟的研究进展

空化射流因具有高效能、无污染等优点而被广泛应用,但是由于其流场结构和水动力学性能过于复杂,使得对其的应用受到限制,为进一步认识和研究空化射流流场特性,对空化射流数值模拟过程中的空化模型、数值计算方法和流场特性影响因素的研究进行了综合论述.阐述了数值模型中不同的空化模型、湍流模型和多相流模型各自的特点、适用条件及存在的问题;对比分析了拉格朗日和欧拉数值计算方法在空化射流模拟中的应用,以及空化射流自身特点对计算方法的要求;对空化射流流场特性的影响因素研究情况进行了综合概述,使复杂的空化射流流场结构有更加清晰的表现,为以后的研究与应用提供了依据.通过以上论述,对目前空化射流数值模拟研究进展中存在的问题进行了分析,并根据所提出的问题,对以后的研究方向提出展望,有助于以后在空化射流流场的数值模拟研究中取得进展.     

Modeling the ultrasonic cavitation‐enhanced removal of nitrogen oxide in a bubble column reactor

A model study of the sonochemical removal of nitric oxide (NO) in a bubble column reactor is presented. The detailed model is developed to investigate the actual cavitation phenomena taking place during the absorption of NO. The expansion and subsequent collapse of cavitation bubble according to the theory of cavity collapse—initially developed by Lord Rayleigh and then improved on by coupling the energy balance equation of the bubble and the chemical reactions taking place inside the cavity to calculate the composition of different species formed during the collapse—are modeled. The model takes into consideration (1) cavitation bubble dynamics, (2) generation and transfer of oxidizing species from bubble collapse through reaction kinetics, (3) transfer of NO from gas to liquid, and (4) chemical reactions of oxidizing species with dissolved NO. The results of the simulations surprisingly indicate that the chemistry induced by ultrasonic cavitation cannot explain the absorption of NO beyond about 30% of the inlet concentration if the mass transfer is assumed to be the same as that in the bubble column without ultrasound. When experimental values of mass‐transfer coefficients, calculated in the studies by other researchers (which are in the range of about five times the physical mass‐transfer coefficient in a bubble column), are used, absorption up to 80% are calculated in the simulations consistent with experimental results obtained from the sonochemical bubble column reactor. The present model provides a framework on which more robust and rigorous models can be developed for the complex gas‐liquid sonochemical systems and reactors. © 2011 American Institute of Chemical Engineers AIChE J, 58: 2397–2411, 2012