干式超聲清洗頭空腔結(jié)構(gòu)聲模態(tài)特性數(shù)值模擬

趙章焰,王 煜,李維東,王國(guó)賢

(1.武漢理工大學(xué) 交通與物流工程學(xué)院,武漢 430063;2.跨流域空氣動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心),四川 綿陽(yáng) 621000;3.中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心 超高速空氣動(dòng)力研究所,四川 綿陽(yáng) 621000)

鋰離子電池生產(chǎn)的核心——電池極片[1],對(duì)其原料(涂炭銅箔、涂炭鋁箔)有著極高的清潔要求,然而微米、亞微米級(jí)的顆粒黏附在邊界層中難以去除[2-5],已經(jīng)成為影響電池極片制造的主要因素之一。近年來(lái),國(guó)內(nèi)、外學(xué)者對(duì)超聲波清洗設(shè)備進(jìn)行了大量研究[6-7],期望通過(guò)超聲波頻率高、方向性強(qiáng)且能量集中等特點(diǎn)將黏附在材料表面的微粒去除[8],其中干式超聲清洗設(shè)備因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效果穩(wěn)定、維護(hù)成本低等特點(diǎn),迅速成為清洗電池極片材料的主流[9]。

在實(shí)驗(yàn)方面,文獻(xiàn)[10]發(fā)現(xiàn)高速氣流通過(guò)矩形空腔可以發(fā)生振蕩產(chǎn)生強(qiáng)烈的聲波能。文獻(xiàn)[11-12]提出了預(yù)測(cè)矩形空腔模型下流激振蕩頻率的經(jīng)驗(yàn)公式,后由文獻(xiàn)[13]結(jié)合實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)。文獻(xiàn)[14]將空腔的振動(dòng)激勵(lì)分為:1)流體動(dòng)力學(xué)相互作用;2)流體與聲學(xué)模態(tài)共振;3)流體與彈性壁面作用。文獻(xiàn)[15]設(shè)計(jì)了一種通過(guò)結(jié)構(gòu)內(nèi)流激振蕩產(chǎn)生超聲波的清洗裝置。文獻(xiàn)[16]建立模型解釋了微粒受力類(lèi)型和數(shù)量以及邊界層的影響,并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。文獻(xiàn)[17]建立了風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)平臺(tái),研究了管道聲學(xué)駐波模態(tài)與剪切層自激振蕩模態(tài)的耦合關(guān)系。文獻(xiàn)[18]設(shè)計(jì)了干式超聲清洗效果評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)。文獻(xiàn)[19]研究了腔體形狀變化對(duì)超聲清洗機(jī)構(gòu)流速的影響,并設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)測(cè)量了結(jié)構(gòu)的超聲頻率。在數(shù)值方面,文獻(xiàn)[20]對(duì)長(zhǎng)寬比為2的空腔流動(dòng)進(jìn)行氣動(dòng)聲學(xué)數(shù)值計(jì)算,提出腔體前緣二次發(fā)聲現(xiàn)象。文獻(xiàn)[21]結(jié)合自激振蕩發(fā)聲機(jī)理,提出空腔流場(chǎng)中脫落渦—聲波—新脫落渦—新聲波的回路特點(diǎn),指出空腔聲壓級(jí)幅值主要集中在低階模態(tài)、能量主要集中在低頻區(qū)域。文獻(xiàn)[22]分析了腔體結(jié)構(gòu)、壓力引起的超聲波聲壓級(jí)和頻率變化,并利用離散相模型分析了顆粒軌跡。文獻(xiàn)[23]建立了微粒的力學(xué)模型和顆粒懸浮模型,分析了氣流速度和空腔的形狀、結(jié)構(gòu)等因素對(duì)流激振蕩的影響。

然而對(duì)干式超聲清洗技術(shù),目前還存在以下問(wèn)題:1)其作為鋰電、半導(dǎo)體行業(yè)下游企業(yè)核心技術(shù),長(zhǎng)期由日本、韓國(guó)壟斷,國(guó)內(nèi)使用的清洗頭主要依賴進(jìn)口,隨時(shí)面臨“卡脖子”風(fēng)險(xiǎn);2)國(guó)內(nèi)針對(duì)該技術(shù)的研究鮮有報(bào)道,清洗頭流道結(jié)構(gòu)加工難度高、精度要求高、工藝成本高。

本文基于CFD技術(shù),對(duì)不同尺寸腔體流場(chǎng)、聲場(chǎng)特性進(jìn)行研究,以改進(jìn)超聲清洗頭腔體設(shè)計(jì)。首先對(duì)干式超聲波清洗技術(shù)和空腔發(fā)聲機(jī)理簡(jiǎn)要闡述,為空腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。隨后對(duì)所設(shè)計(jì)的腔體進(jìn)行數(shù)值模擬,通過(guò)分析其流場(chǎng)和聲場(chǎng)特性并與發(fā)聲機(jī)理相互驗(yàn)證,定性地證明了結(jié)構(gòu)的有效性。最后對(duì)全文工作進(jìn)行總結(jié)。

1 干式超聲清洗技術(shù)

1.1 技術(shù)原理

灰塵附著在被清洗材料表面屬于典型的物理吸附過(guò)程[24],使用物理的清洗方式即可實(shí)現(xiàn)顆粒的定量脫附[25]。傳統(tǒng)的干式清洗裝置,多采用高速氣流(風(fēng)刀)作為媒介清洗材料表面灰塵,即通過(guò)高速氣流吹走材料表面的微粒。然而,由于邊界層的存在,材料表面的微米級(jí)、亞微米級(jí)微粒黏附于邊界層中,難以被風(fēng)刀清洗。為了破壞相對(duì)穩(wěn)定的邊界層,一種理論上可行的方式是引入超聲波發(fā)生裝置,希望通過(guò)超聲波的高頻振蕩,促進(jìn)微粒與邊界層脫離,使其進(jìn)入高速氣流中,達(dá)到材料表面清潔的目的。

目前,干式超聲波清洗技術(shù)主要由日本、韓國(guó)兩國(guó)掌握,干式超聲清洗頭主要依賴于進(jìn)口。隨著近年來(lái)中國(guó)鋰電、半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展,對(duì)干式超聲清洗設(shè)備研發(fā)的需求愈發(fā)緊迫。干式超聲波清洗的原理如圖1所示,壓力腔內(nèi)高速氣流流經(jīng)膨脹腔,經(jīng)過(guò)陣列的變截面空腔結(jié)構(gòu)時(shí)氣體膨脹—壓縮—再膨脹—再壓縮,在流場(chǎng)和聲場(chǎng)的耦合作用下產(chǎn)生強(qiáng)烈超聲波[26-28],通過(guò)壓力腔底部的狹縫出口流出,作用在材料表面的邊界層上,邊界層內(nèi)的粒子發(fā)生再懸浮作用,跟隨氣流被吸入負(fù)壓腔,從而達(dá)到除塵效果。

圖1 干式超聲波清洗機(jī)構(gòu)原理圖Fig.1 Schematic diagram of dry ultrasonic cleaning mechanism

1.2 發(fā)聲原理

1.2.1 流體動(dòng)力學(xué)相互作用

針對(duì)長(zhǎng)度與深度比值小于10的開(kāi)放式空腔[29],其自由剪切層[30]激發(fā)空腔自激振蕩從而誘導(dǎo)空腔噪聲產(chǎn)生,其原理如圖2所示。當(dāng)高速氣流流經(jīng)特殊的陣列變截面流道時(shí),在連續(xù)的時(shí)間周期中某一時(shí)間段內(nèi),空腔的前緣剪切層沿腔體深度方向發(fā)展形成了渦(如圖2(a)所示),這個(gè)渦隨著氣流向腔體中部發(fā)展(如圖2(b)所示),最終與腔體后壁碰撞產(chǎn)生聲波(如圖2(c)所示),聲波在傳到腔口前緣時(shí)激發(fā)了下一個(gè)渦的脫落(如圖2(d)所示),新的脫落渦采用相同方式產(chǎn)生二次噪聲,二次噪聲波再回傳到腔口前緣壁面,繼續(xù)激發(fā)下一個(gè)脫落渦生成。故而在腔體內(nèi)部,不斷進(jìn)行著一次渦脫落——一次聲波——二次渦脫落——二次聲波的一個(gè)反饋機(jī)制[21],進(jìn)而在流場(chǎng)渦的自然頻率與空腔的聲學(xué)共振頻率相近時(shí),流場(chǎng)內(nèi)氣體流動(dòng)形成自激振蕩,振蕩頻率足夠高時(shí)超聲波由此產(chǎn)生。

圖2 空腔流激振蕩原理圖Fig.2 Schematic diagram of cavity fluid-induced oscillation

在文獻(xiàn)[11-12]的理論中,假設(shè)脫落渦的頻率與反饋聲波頻率相同,則其頻率應(yīng)滿足如下關(guān)系:

(1)

式中:uc為氣流流速,κ為渦遷移速度與自由流速度之比,λv為渦運(yùn)動(dòng)的波長(zhǎng),c為聲速,λc為反饋聲波波長(zhǎng)。

根據(jù)空腔流激振蕩的反饋機(jī)制,渦運(yùn)動(dòng)的相位、聲波運(yùn)動(dòng)的相位以及激發(fā)新渦產(chǎn)生的相位滯后共同組成一個(gè)完整的周期,三者關(guān)系可表示為

(2)

式中:L為圖2所示的空腔長(zhǎng)度,β為時(shí)間滯后系數(shù),m為空腔流激振蕩聲學(xué)模態(tài)階數(shù),其值為正整數(shù)。

聯(lián)立式(1)、(2)可得到量綱一的頻率Sm表達(dá)式為

(3)

式中Ma為氣流馬赫數(shù),Ma=uc/c。

文獻(xiàn)[13]對(duì)文獻(xiàn)[11-12]的公式進(jìn)行了修正,提高了預(yù)測(cè)精度,其改進(jìn)后的量綱一的頻率Sm的表達(dá)式為

(4)

利用式(4)可以對(duì)不同模態(tài)下空腔流激振蕩頻率做出合理的分析和預(yù)估。

1.2.2 流體與聲學(xué)模態(tài)共振相互作用

流道中高速氣流內(nèi)不穩(wěn)定的剪切層在跨出腔口時(shí)不斷起伏作為振動(dòng)的激勵(lì),使腔體在其特征頻率上產(chǎn)生駐波模態(tài)振蕩[17]。文獻(xiàn)[31]指出空腔的壁面會(huì)反射腔內(nèi)產(chǎn)生的聲波,在一定條件下形成由空腔幾何尺寸確定的聲學(xué)駐波模態(tài)。當(dāng)空腔的剪切層自激駐波模態(tài)振蕩頻率與聲學(xué)駐波模態(tài)振蕩頻率接近時(shí),將誘導(dǎo)流場(chǎng)和聲場(chǎng)共振,產(chǎn)生流體與聲學(xué)模態(tài)共振相互作用,當(dāng)振蕩頻率足夠高時(shí)超聲波由此產(chǎn)生。

由于矩形腔剛性壁面上質(zhì)點(diǎn)速度為0,則有:

u1|x1=0,x1=L=0,u2|x2=0,x2=W=0,u3|x3=0,x3=D=0

(5)

式中:L為腔體長(zhǎng)度,W為腔體寬度,D為腔體深度。

空腔內(nèi)聲場(chǎng)的波動(dòng)方程和其解pn可表達(dá)為[23]:

(6)

pn(x,t)=An1,n2,n3cosk1x1cosk2x2cosk3x3·eiωnt

(7)

式中:k1=n1π/L,k2=n2π/W,k3=n3π/D,ni(i=1,2,3)分別為圖3所標(biāo)注的空腔長(zhǎng)度方向、深度方向、寬度方向的軸向波模態(tài)階數(shù);An1,n2,n3cosk1x1cosk2x2cosk3x3為振動(dòng)的幅值;ωn為空腔內(nèi)聲波的圓頻率,通過(guò)pn可描述空腔中壓力的波動(dòng)狀態(tài)。

圖3 流體與聲學(xué)模態(tài)共振原理圖Fig.3 Schematic diagram of fluid and acoustic modal resonance

根據(jù)式(7)和空腔內(nèi)聲波圓頻率ωn=2πfn可得

(8)

式(8)描述了空腔內(nèi)駐波共振的頻率與腔體長(zhǎng)度尺寸、深度尺寸、寬度尺寸以及振動(dòng)的聲學(xué)模態(tài)的關(guān)系。且振動(dòng)頻率的方向由模態(tài)階數(shù)值確定,當(dāng)其中兩個(gè)方向的模態(tài)階數(shù)值為零時(shí),式(8)描述沿腔體某一邊界方向的軸向駐波模態(tài)簡(jiǎn)正頻率;當(dāng)其中某一個(gè)方向的模態(tài)階數(shù)值為零時(shí),該式描述了沿腔體坐標(biāo)軸的某一個(gè)切向方向的駐波模態(tài)簡(jiǎn)正頻率;當(dāng)3個(gè)方向的模態(tài)階數(shù)值都不為零時(shí),該式描述腔內(nèi)某一斜向的駐波模態(tài)簡(jiǎn)正頻率。

2 空腔數(shù)值模擬

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與模型

干式超聲清洗頭的流道結(jié)構(gòu)如圖4(a)所示。研究擬根據(jù)兩種不同發(fā)聲機(jī)理,設(shè)計(jì)兩種不同尺寸大小的變截面流道結(jié)構(gòu)模型。腔體采用式(4)所示的發(fā)聲機(jī)理時(shí),若要其在一階模態(tài)下頻率fm達(dá)到超聲頻率,需滿足如下條件:

圖4 腔體結(jié)構(gòu)模型Fig.4 Diagram of cavity structure model

(9)

文獻(xiàn)[19]給出了氣體流速與壓強(qiáng)的關(guān)系:

(10)

式中:V為氣體流速,P為給定壓力,ρ為氣體密度。

根據(jù)式(10)計(jì)算在10 kPa壓力下氣體流速為124.51 m/s,代入式(9)可得,腔體長(zhǎng)度L為2.9 mm?？紤]實(shí)際工況下壓力條件略大,設(shè)計(jì)3 mm尺寸流道結(jié)構(gòu)(下文簡(jiǎn)稱(chēng)小腔體)其結(jié)構(gòu)如圖4(b)所示。該結(jié)構(gòu)以雙邊設(shè)計(jì)的3 mm尺寸的方形腔為空腔,流道寬度為1 mm,流道下方設(shè)計(jì)有利于提高清洗效果的0.3 mm的狹縫氣流出口[32]。在寬度方向上選取3 mm為計(jì)算模型。

腔體采用式(8)所示的發(fā)聲機(jī)理時(shí),由于沿腔體寬度切向方向的駐波模態(tài)簡(jiǎn)正頻率清洗效果最強(qiáng),故取n2=0,若要其在一階模態(tài)下頻率fm達(dá)到超聲頻率,需滿足如下條件:

(11)

由于方腔結(jié)構(gòu)L=D且均為一階模態(tài) ,可得L<12.02 mm。因此設(shè)計(jì)10 mm尺寸流道結(jié)構(gòu)(下文簡(jiǎn)稱(chēng)大腔體),如圖4(c)所示。該結(jié)構(gòu)以雙邊設(shè)計(jì)的10 mm尺寸的方形腔為空腔,流道寬度為3 mm,流道下方同樣設(shè)計(jì)0.3 mm的狹縫氣流出口。由于兩類(lèi)腔體均為開(kāi)式空腔,其受寬度影響較小[33],為配合方形腔體,在寬度方向上選取10 mm為計(jì)算模型。

結(jié)構(gòu)中央方形腔體部分為超聲結(jié)構(gòu),狹縫正下方區(qū)域?yàn)榍逑磪^(qū)域,流道兩側(cè)部分為負(fù)壓腔入口,流道的下表面為被清洗材料的表面,通過(guò)傳送帶傳送被清洗材料經(jīng)過(guò)清洗頭下方完成表面清洗。

2.2 計(jì)算方法和參數(shù)設(shè)置

計(jì)算采用雙精度求解器(double precision),密度基求解(density-based)。將計(jì)算分為穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)計(jì)算和瞬態(tài)聲場(chǎng)計(jì)算兩步驟進(jìn)行。

2.2.1 穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)計(jì)算

在定常條件下采用SSTk-omega模型,開(kāi)啟能量方程(energe equation)和理想氣體(ideal-gas)計(jì)算,收斂后得到穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)。

2.2.2 瞬態(tài)聲場(chǎng)計(jì)算

以穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)為初始條件,采用大渦模擬(large eddy simulation,LES)[34]中WALE(wall-adapting local eddy-viscosity)亞格子模型進(jìn)行瞬態(tài)數(shù)值計(jì)算,采用FW-H(Ffowcs williams-Hawkings)[35]模型收集聲壓信號(hào)。

2.3 流動(dòng)計(jì)算域及邊界條件

計(jì)算流域如圖4(b)、4(c)所示,設(shè)定超聲結(jié)構(gòu)上表面為壓力入口(1號(hào)表面),負(fù)壓腔上表面為壓力出口(2號(hào)表面),其余面為壁面。出口壓力統(tǒng)一設(shè)置為0(實(shí)際工況下為負(fù)壓);入口邊界壓力值分別為10、15、20、25、30 kPa;壁面為絕熱壁面、無(wú)滑移邊界條件。

2.4 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

分別為兩個(gè)結(jié)構(gòu)劃分4種流場(chǎng)網(wǎng)格以驗(yàn)證網(wǎng)格無(wú)關(guān)性。選擇流場(chǎng)最大速度變化作為衡量網(wǎng)格無(wú)關(guān)性因素,不同網(wǎng)格的計(jì)算結(jié)果如圖5所示。結(jié)果表明,在網(wǎng)格數(shù)量達(dá)到30萬(wàn)以上時(shí),流場(chǎng)內(nèi)最大流速趨于穩(wěn)定。因此小腔體網(wǎng)格取31萬(wàn),如圖6(a)所示;大腔體網(wǎng)格取33萬(wàn)進(jìn)行計(jì)算,如圖6(b)所示。

圖5 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證結(jié)果Fig.5 Mesh independence verification results

圖6 腔體三維網(wǎng)格劃分Fig.6 3D mesh generation of cavity

2.5 時(shí)間步長(zhǎng)獨(dú)立性驗(yàn)證

數(shù)值模擬時(shí)采用4個(gè)不同值來(lái)驗(yàn)證時(shí)間步長(zhǎng)獨(dú)立性。由于對(duì)瞬態(tài)聲場(chǎng)進(jìn)行分析,因此選擇一段時(shí)間內(nèi)流場(chǎng)底部中央點(diǎn)在流場(chǎng)中的聲壓頻譜作為衡量時(shí)間步長(zhǎng)獨(dú)立性的關(guān)鍵因素,其結(jié)果如圖7所示。結(jié)果表明,當(dāng)時(shí)間步長(zhǎng)的精度為2.50×10-6s及以上時(shí),監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的聲壓頻域曲線已經(jīng)可以較好地反映流場(chǎng)的聲學(xué)狀態(tài)。因此時(shí)間步長(zhǎng)選擇2.50×10-6s,以時(shí)間步數(shù)2 000步進(jìn)行計(jì)算。

圖7 時(shí)間步長(zhǎng)獨(dú)立性驗(yàn)證結(jié)果Fig.7 Time step independence verification results

3 結(jié)果討論

3.1 腔體流場(chǎng)特性

3.1.1 空腔速度云圖

取空腔Z方向中點(diǎn)X、Y截面觀察空腔內(nèi)流場(chǎng)速度云圖,截面位置如圖8(a)、圖9(a)所示。圖8(b)～8(f)、圖9(b)～9(f)分別為不同壓力條件下X、Y截面的速度云圖。從圖8、9中可以看出,兩結(jié)構(gòu)有著相似的流場(chǎng)特性,腔體內(nèi)沿著方腔都形成了不同速度的渦流,隨著壓力的增加,腔體內(nèi)的渦流速度增大。

圖8 不同壓力下小腔體中心截面速度云圖Fig.8 Velocity nephogram of small cavity center section under different pressures

圖9 不同壓力下大腔體中心截面速度云圖Fig.9 Velocity nephogram of large cavity center section under different pressures

以20 kPa的入口壓力條件下兩腔體的流場(chǎng)為例進(jìn)行分析。圖10(a)～10(d)分別給出了兩個(gè)腔體在X,Y平面內(nèi)壓力分布云圖以及速度云圖?？梢悦黠@觀察到,流場(chǎng)內(nèi)的氣流從壓力入口進(jìn)入腔體,經(jīng)過(guò)雙邊方腔流道形成了一個(gè)加速效果,這與文獻(xiàn)[19]結(jié)論相符,氣流在狹縫出口處達(dá)到最大速度,最終通過(guò)流道兩側(cè)設(shè)計(jì)的負(fù)壓腔流出結(jié)構(gòu)。兩種結(jié)構(gòu)內(nèi)氣流的運(yùn)動(dòng)方式相同,Y軸方向上小腔體上方1號(hào)、2號(hào)方腔與下方3號(hào)、4號(hào)方腔流速接近,而大腔體上方1號(hào)、2號(hào)方腔流速略高于與下方3號(hào)、4號(hào)方腔,X軸方向上,由于腔體為軸對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu),流場(chǎng)、壓力場(chǎng)分布情況高度對(duì)稱(chēng)。對(duì)比兩個(gè)結(jié)構(gòu)在相同壓力下的速度云圖可以得出,大、小腔體內(nèi)對(duì)應(yīng)編號(hào)的方腔流速相差不大,其內(nèi)部流激振蕩情況還應(yīng)結(jié)合聲場(chǎng)情況加以分析。

圖10 相同壓力下腔體中心截面壓力云圖和速度云圖Fig.10 Pressurenephogram and velocity nephogram of central section of cavity under same pressure

3.1.2 空腔最大流速隨入口壓力變化情況

按照時(shí)間步長(zhǎng)獨(dú)立性驗(yàn)證中設(shè)置的邊界條件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,并記錄兩腔體在不同的入口壓力條件下流場(chǎng)最大速度值,見(jiàn)表1。為更直觀的反映不同腔體、不同壓力條件下流場(chǎng)最大速度的變化情況,根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)繪制兩腔體速度隨壓力變化曲線,如圖11(a)所示。不同壓力下速度增長(zhǎng)率曲線,如圖11(b)所示。

表1 腔體壓力值與最大流速表Tab.1 Cavity pressure and maximum flow velocity

圖11 流場(chǎng)速度曲線Fig.11 Velocity curve of flow field

根據(jù)表1中數(shù)據(jù)和圖11(a)可以得知,腔體內(nèi)最大流速隨壓力的增大而增大,當(dāng)壓力達(dá)到30 kPa時(shí),腔體氣流速度最大,可以達(dá)到200 m/s以上。根據(jù)圖11(b)可以得知,隨著壓力的增大,速度的增長(zhǎng)率逐漸下降。綜合來(lái)看,兩種不同的腔體在相同壓力條件下最大速度相近、最大速度的增長(zhǎng)率相近,進(jìn)一步說(shuō)明腔體內(nèi)流場(chǎng)特性相似。

3.2 腔體聲場(chǎng)特性

分別選擇兩個(gè)腔體狹縫底部中央點(diǎn)布置聲壓監(jiān)測(cè)點(diǎn),其空間坐標(biāo)為(0,0,0)。圖12(a)為小腔體監(jiān)測(cè)點(diǎn)聲場(chǎng)時(shí)域曲線、圖12(b)為大腔體監(jiān)測(cè)點(diǎn)聲場(chǎng)時(shí)域曲線。從時(shí)域曲線可以得出,兩種結(jié)構(gòu)流道中的監(jiān)測(cè)點(diǎn)都存在隨時(shí)間脈動(dòng)的周期的聲壓信號(hào),證明結(jié)構(gòu)符合脈動(dòng)氣流破壞邊界層除塵的基本構(gòu)想。隨著壓力值從10 kPa增加至30 kPa,脈動(dòng)信號(hào)的幅值明顯增大,說(shuō)明壓力的增加有助于增強(qiáng)聲壓脈動(dòng)強(qiáng)度。通過(guò)兩腔體時(shí)域曲線對(duì)比可知,在相同的壓力條件下,小腔體內(nèi)聲壓脈動(dòng)的幅值更大、聲壓變化的頻率更快,產(chǎn)生的流激振蕩更強(qiáng)烈。

圖12 腔體監(jiān)測(cè)點(diǎn)聲壓時(shí)域曲線Fig.12 Time domain curve of sound pressure at monitoring points of cavity

對(duì)上述的時(shí)域信號(hào)進(jìn)行FFT變換得到腔體聲場(chǎng)頻域曲線,如圖13(a)、13(b)所示。觀察得出,不同壓力下兩腔體頻域曲線均存在聲壓級(jí)峰值,其縱坐標(biāo)對(duì)應(yīng)了聲壓級(jí)大小,橫坐標(biāo)對(duì)應(yīng)了空腔發(fā)聲頻率,進(jìn)而通過(guò)頻譜特性證明了空腔內(nèi)存在周期性的流激振蕩。

圖13 腔體監(jiān)測(cè)點(diǎn)聲壓頻域曲線Fig.13 Frequency domain curve of sound pressure at monitoring points of cavity

小腔體的聲壓級(jí)峰值主要出現(xiàn)在前3個(gè)峰值頻率下,其中第3個(gè)峰值頻率進(jìn)入超聲范圍,證明該腔體可以產(chǎn)生超聲波。通過(guò)式(4)對(duì)小腔體內(nèi)流體動(dòng)力學(xué)相互作用引起的聲壓頻率進(jìn)行計(jì)算,其預(yù)測(cè)值與實(shí)際值在表2中給出,預(yù)測(cè)值位置如圖13(a)中參照線a所示。計(jì)算結(jié)果表明,式(4)預(yù)測(cè)頻率與小腔體超聲峰值頻率接近,但存在一定誤差,隨著壓力的增大,誤差逐漸減小,此時(shí)腔內(nèi)的超聲波由腔內(nèi)流體間相互作用產(chǎn)生。對(duì)比不同壓力下小腔體聲壓頻譜得出,壓力的增加提高了聲壓級(jí)峰值,而峰值對(duì)應(yīng)的頻率并未明顯提升。

表2 小腔體預(yù)測(cè)頻率與實(shí)際頻率驗(yàn)證Tab.2 Verification of predicted frequency and actual frequency of small cavity

大腔體的聲壓級(jí)頻域曲線在低頻部分與小腔體相似,而在超聲頻域范圍內(nèi)存在多個(gè)高頻聲壓級(jí)峰值,證明大腔體可以產(chǎn)生超聲波。通過(guò)式(8)對(duì)大腔體內(nèi)流體與聲學(xué)模態(tài)共振相互作用引起的聲壓頻率進(jìn)行計(jì)算,在表3中給出與峰值頻率相近的預(yù)測(cè)值,預(yù)測(cè)值位置如圖13(b)中參照線b1～b8所示。結(jié)果表明,式(8)所得的預(yù)測(cè)值與腔體內(nèi)超聲頻率高度接近,說(shuō)明此時(shí)腔體內(nèi)超聲波由流體與聲學(xué)模態(tài)共振相互作用產(chǎn)生。

表3 大腔體預(yù)測(cè)頻率與實(shí)際頻率驗(yàn)證Tab.3 Verification of predicted frequency and actual frequency of large cavity

通過(guò)對(duì)比兩腔體聲壓頻域曲線發(fā)現(xiàn),雖然兩腔體結(jié)構(gòu)相似、流場(chǎng)特性相似、頻域曲線均存在聲壓級(jí)峰值,然而由于兩腔體尺寸不同,其超聲波產(chǎn)生機(jī)理也不同,在聲壓級(jí)峰值頻率上存在較大差異。經(jīng)過(guò)預(yù)測(cè)頻率的計(jì)算與數(shù)值模擬的結(jié)果相互驗(yàn)證,說(shuō)明超聲除塵頭的聲場(chǎng)特性與其腔體尺寸相關(guān),定性的證明了所設(shè)計(jì)的兩種結(jié)構(gòu)均能產(chǎn)生超聲波。綜合兩腔體的流場(chǎng)和聲場(chǎng)情況得出,超聲波清洗頭的流道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并不局限于流體間流體力學(xué)相互作用發(fā)聲的小腔體,而在入口壓力與腔體結(jié)構(gòu)的搭配下,其他尺寸的腔體同樣可以達(dá)到產(chǎn)生強(qiáng)烈、高頻超聲波破壞邊界層除塵的作用。在設(shè)計(jì)中將超聲清洗頭腔體合理放大,避免了原本小腔體的加工難、精度要求高、整體結(jié)構(gòu)需要拼接等缺點(diǎn)。

4 結(jié) 論

1)相同結(jié)構(gòu)的流場(chǎng)特性相似。兩種腔體都會(huì)在腔內(nèi)形成渦流,渦流速度隨壓力增大而增大,當(dāng)壓力條件相同時(shí),小腔體能激發(fā)更強(qiáng)烈的流激振蕩。

2)隨壓力的增加,腔體內(nèi)最大速度增大,最大速度的增長(zhǎng)率減小。當(dāng)壓力條件相同時(shí),兩腔體的最大速度和最大速度的增長(zhǎng)率接近。

3)兩種結(jié)構(gòu)均能產(chǎn)生超聲波,其超聲波發(fā)聲機(jī)理與腔體尺寸相關(guān)。小腔體由流體間流體動(dòng)力學(xué)相互作用發(fā)聲,大腔體由流體與聲學(xué)模態(tài)共振相互作用發(fā)聲,與預(yù)測(cè)值相符。

4)經(jīng)過(guò)數(shù)值模擬和計(jì)算相互驗(yàn)證,干式超聲波清洗頭的流道結(jié)構(gòu)可以結(jié)合空腔發(fā)聲機(jī)理進(jìn)行設(shè)計(jì),為干式超聲波清洗頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。