本發(fā)明屬于超聲波空化研究領(lǐng)域，具體涉及一種超聲波空化微射流速度的測量和計算方法。

背景技術(shù)：

1、超聲波在液體中以周期性交替壓力波的形式進行傳播，能夠在液體中形成密集的微小空化泡。這些空化泡核在負壓傳播區(qū)生長，而在正壓區(qū)迅速潰滅，這一過程被成為空化現(xiàn)象，伴隨產(chǎn)生高速高壓的超聲波空化微射流。由于超聲波空化微射流的速度可達1000m/s以上，被廣泛用于材料清洗、表面改性和海洋開發(fā)等領(lǐng)域。超聲波空化微射流的速度是影響其清洗效果或材料改性的關(guān)鍵因素。對于應(yīng)用效果而言，超聲波空化微射流速度太小會導(dǎo)致其清洗速率低，清洗深度不足以及材料表面改性不達標等問題，但超聲波空化微射流速度過大往往會對處理材料產(chǎn)生明顯的空蝕影響。因此，在不同的應(yīng)用場景下準確測量超聲波空化微射流速度是保證其應(yīng)用效果的關(guān)鍵。

2、在超聲波空化過程中，通常是多個尺寸、位置各不相同的空化泡同時潰滅進而產(chǎn)生多個超聲波空化微射流。由于單一超聲波空化微射流直徑和速度均與空化泡潰滅直徑存在正相關(guān)性，這導(dǎo)致同一時刻形成的多個超聲波空化微射流直徑和速度均存在明顯的差異性。同時，超聲波空化微射流一般為微米尺度，常規(guī)的流動速度測量方法無法實現(xiàn)微射流的準確測量。目前，超聲波空化微射流速度的測量方式主要依賴高速成像技術(shù)，粒子圖像測速技術(shù)和數(shù)值模擬方法，但這些方法仍存在明顯的缺陷。高速成像測速方法是通過記錄空化泡潰滅階段氣液界面的移動過程，根據(jù)不同時刻氣液界面的位移來確定超聲波空化微射流速度，該方法實際測量的速度是空化泡收縮速度，并非超聲波空化微射流形成后的速度；粒子圖像測速技術(shù)是采用高速相機追蹤微射流中懸浮粒子的運動軌跡來測量超聲波空化微射流速度，該方法雖然能夠提供全流場的速度信息，但對于液體中形成的密集空化微射流流場，很難辨別微射流的中的懸浮粒子運動軌跡，導(dǎo)致測量結(jié)果誤差較大；數(shù)值模擬方法具有相比實驗測量方法具有方便、快捷和低成本等優(yōu)勢，但目前的數(shù)值模擬方法通常僅針對單一射流速度進行計算。通過理論和經(jīng)驗結(jié)合的方式計算得到超聲波空化微射流平均速度結(jié)果，無法充分的描述超聲波空化微射流的差異性。如何準確描述密集且高度隨機的超聲波空化微射流仍然是數(shù)值模擬中的一大難點，也是準確計算超聲波空化微射流速度的關(guān)鍵挑戰(zhàn)之一。

3、基于此，本方法充分考慮現(xiàn)有方法的不足，通過獲取超聲波對材料表面造成的空蝕形貌特征，結(jié)合材料本構(gòu)方程，反演計算超聲波空化微射流速度。本方法突破了現(xiàn)有方法只能測量單一超聲波空化微射流速度的局限，不僅實現(xiàn)了對多個超聲波空化微射流速度的測量，同時避免了復(fù)雜空化射流流場的直接測量，大大提高了超聲波空化微射流速度測量的效率和可操作性。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明旨在提供一種超聲波空化微射流速度的測量和計算方法，以實現(xiàn)對超聲波空化微射流速度的精確測量。通過該方法，可以確保超聲波空化在各種應(yīng)用場景中達到預(yù)期效果，提升其應(yīng)用效果和可靠性。

2、一種超聲波空化微射流速度的測量和計算方法，該方法包括以下步驟：

3、步驟一，開展超聲波空化實驗，采用電子顯微鏡和掃描電鏡對實驗試片形貌進行表征，確定超聲波空化微射流在實驗試片上造成的空蝕坑尺寸及分布情況，統(tǒng)計空蝕坑直徑和深度。所述實驗試片需在超聲波空化實驗開展前進行制備，參考jb/t6037《金屬覆蓋層實驗室全浸腐蝕試驗》，選用常見的金屬作為實驗材料，將其加工成30mm×15mm×3mm的實驗試片，先采用石油醚洗去表面保護油膜，隨后采用800～2000目砂紙對其打磨光滑，再依次使用丙酮溶液、無水乙醇清洗，冷風(fēng)吹干，實驗前采用電子顯微鏡對實驗試片形貌進行觀測。所述超聲波空化實驗是將制備完成的實驗試片放入超聲波處理槽內(nèi)，實驗試片與超聲波換能器距離保持3mm不變，設(shè)定超聲波運行功率、頻率和處理時間，實驗完成后用無水乙醇將實驗試片清洗，冷風(fēng)吹干，隨后進行空蝕坑尺寸統(tǒng)計。

4、步驟二，根據(jù)所述統(tǒng)計的空蝕坑直徑和深度數(shù)據(jù)，結(jié)合微米壓痕反演計算理論和實驗試片的材料本構(gòu)方程，計算超聲波空化微射流速度。具體計算過程如下：

5、s41，對于單一空蝕坑而言，首先計算實驗試片形成空蝕坑的等效受力面積ap，如式1所示：

6、

7、式中，dp為空蝕坑直徑，m；hp為空蝕坑深度，m；

8、s42，結(jié)合實驗試片的材料本構(gòu)方程，描述實驗試片由于超聲波空化微射流沖擊而導(dǎo)致的彈性和塑性變形過程，計算實驗試片形成空蝕坑所受到的等效沖擊應(yīng)力，如式(2)所示：

9、

10、式中，σ0為實驗試片的屈服強度，pa；εp為實驗試片出現(xiàn)的某單一空蝕坑應(yīng)變量；a為應(yīng)變硬化系數(shù)；n為應(yīng)變硬化指數(shù)；b為應(yīng)變率強化系數(shù)；為無量綱應(yīng)變率，通常定義為式(3)：

11、

12、式中，為當前應(yīng)變率；為參考應(yīng)變率；

13、s43，根據(jù)微米壓痕反演分析理論，實驗試片形成空蝕坑所受到的沖擊載荷lp如式(4)所示：

14、lp＝σpap?(4)

15、式中，σp為實驗試片形成空蝕坑所受到的等效沖擊應(yīng)力，pa；

16、s44，考慮射流沖擊截面為圓形，結(jié)合超聲波空化微射流幾何尺寸和沖擊應(yīng)力計算超聲波空化微射流造成的沖擊載荷ljet，如式(5)所示：

17、

18、式中，r為超聲波空化微射流半徑，m；s為超聲波空化微射流沖擊區(qū)域周長，m；σjet為超聲波空化微射流動水沖擊應(yīng)力，pa；djet為超聲波空化微射流直徑，djet＝dp；

19、s45，所述超聲波空化微射流造成的沖擊載荷ljet等于所述實驗試片形成空蝕坑所受到的沖擊載荷lp，超聲波空化微射流的動水沖擊壓力則可由式(6)計算：

20、

21、根據(jù)水錘壓力計算公式，超聲波空化微射流對實驗試片造成的沖擊壓力與超聲波空化微射流速度vjet有關(guān)。同時，微米尺度的超聲波空化微射流在形成時其周圍流體介質(zhì)是靜態(tài)，相比微米尺度的超聲波空化微射流，靜態(tài)區(qū)域的流體可視為無限區(qū)域，由于液體的黏性和表面張力作用，靜態(tài)流域?qū)ξ⑸淞鞯淖铚饔檬遣豢珊雎缘模虼艘胨p系數(shù)來表征超聲波空化微射流過程中的速度損耗，如式(7)所示：

22、

23、式中，ρl和ρs分別為清洗介質(zhì)和實驗試片密度，kg/m3；cl和cs分別為清洗介質(zhì)和實驗試片中聲傳播速度，m/s；μeff和λeff分別為黏性衰減系數(shù)和表面張力修正系數(shù)。

24、所述黏性衰減系數(shù)可由式(8)計算：

25、

26、式中，c1是無量綱系數(shù)；μ為清洗介質(zhì)黏度，pa·s；d為超聲波空化微射流直徑，d＝1/10rmax；σ是清洗介質(zhì)的靜態(tài)表面張力，n/m；rmax是空化泡生長最大的半徑，即空化泡潰滅半徑，m。

27、所述表面張力修正系數(shù)λeff可由式(9)計算：

28、

29、式中，c2是無量綱系數(shù)。

30、結(jié)合式(7)～(9)，反算得到超聲波空化微射流速度vjet。

31、步驟三，統(tǒng)計超聲波空化微射流速度結(jié)果，結(jié)合不同空蝕坑幾何形貌特征分析超聲波空化微射流速度的分布規(guī)律和特性，進而判斷超聲波運行工況的適用場景。

32、本發(fā)明采用上述技術(shù)方案，可以達到以下有益效果：

33、(1)本發(fā)明提出的一種超聲波空化微射流速度的測量和計算方法，通過測定超聲波引起的空化微射流對材料表面造成的空蝕坑尺寸特征，結(jié)合微米壓痕反演分析理論和材料本構(gòu)方程，計算超聲波空化微射流速度。

34、(2)本發(fā)明的提出的一種超聲波空化微射流速度的測量和計算方法具有可操作性強、精度高、效率高等優(yōu)勢，結(jié)合微米壓痕反演分析理論和材料本構(gòu)方程，不僅實現(xiàn)了對超聲波空化過程中多個超聲波空化微射流速度的測量，同時避免了復(fù)雜空化流場的直接測量，大大提高了超聲波空化微射流速度測量效率和可操作性。