CN111859769B - 一种确定液态金属空化阈值的方法 - Google Patents

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Abstract

一种确定液态金属空化阈值的方法，本发明涉及液态金属的声空化领域。本发明要解决目前无法确定液态金属空化阈值的技术问题。方法：使用高速摄影对液态金属超声辅助铺展过程母材/液态金属界面的空化特征进行拍摄，空化拍摄后可对液滴铺展前沿的无法发生空化的区域进行测量，通过有限元模拟的方法对液滴铺展过程进行模拟，并对无法发生空化区的边缘的声压进行提取，即空化阈值。该方法操作简单，成本低，且结果准确；不受液态金属成分的限制，使用范围广。本发明用于确定液态金属空化阈值。

Description

一种确定液态金属空化阈值的方法
技术领域
本发明涉及液态金属的声空化领域。
背景技术
液体的声空化现象在超声清洗、超声萃取、超声催化、超声碎石以及超声熔体处理等过程有着极为广泛的应用，它不仅可以加速化学反应速度，提高萃取和催化效率，还可以细化熔体组织，提高超声焊接效率等。声空化指的是液体内部的微小气泡在超声波作用下经历的一系列形核、长大、振荡以及最终溃灭的过程。空化泡的溃灭会产生一系列局部、极端、瞬时的现象，如上千度的高温，上百兆帕的压力以及几百米/秒的液体速度等。超声空化的工业应用大多依赖于空化泡溃灭过程时形成的这一系列极端物理现象。
液体的空化阈值一般认为是液体内部能够发生声空化现象所需的最低声强。了解不同液体的空化阈值，对超声清洗、催化、萃取等许多过程有着极为重要的意义。一般来说，不同液体因其物理化学性质不同因此其空化阈值也各不相同。对于水溶液来说，其透明性这一特征使得其空化观察以及空化阈值的确定相对简单。对于液态金属来说，本身不透明性使得对其声空化的观察困难较大。然而，液态金属的超声处理在现代工业中的应用极为广泛，其包括超声钎焊，超声除气，超声熔体处理等。确定液态金属的空化阈值，能够在实际应用过程中有效提高声能利用率，缩短超声处理时间，提高处理效率，对超声波的工业应用有着极为重要的作用。
发明内容
本发明要解决目前无法确定液态金属空化阈值的技术问题，而提供一种确定液态金属空化阈值的方法。
一种确定液态金属空化阈值的方法，具体按以下步骤进行：
一、将常温下为液态的待测液态金属的液滴放在确定液态金属空化阈值装置的透明玻璃上；
或者将常温下非液态的金属放置在确定液态金属空化阈值装置的透明玻璃上，然后将金属加热为液态，即为待测液态金属；
二、开启超声，并采用高速摄像机对待测液态金属的液滴的铺展过程进行拍摄；
三、选取步骤二拍摄的照片，并记录照片中液滴前沿未发生声空化的宽度及拍摄时刻；
四、利用有限元软件模拟待测液态金属的铺展过程；
五、将步骤三选取的照片与步骤四模拟的铺展过程中的时刻对应，结合液滴前沿未发生声空化的宽度，得到液滴未空化边缘区域的声压值，即为待测液态金属的空化阈值，完成所述一种确定液态金属空化阈值的方法。
所述确定液态金属空化阈值装置，包括超声工具头、母材、透明玻璃和高速摄像机，其中透明玻璃替换部分母材，并且透明玻璃与母材紧密贴合，超声工具头紧密贴合在母材上表面，待测液态金属放置在透明玻璃上，高速摄像机位于的透明玻璃下方，高速摄像机镜头设置在待测液态金属的正下方，并朝向待测液态金属。
其中透明玻璃为耐高温玻璃材料。
本发明机理：对于超声辅助作用下的液滴铺展过程来说，液滴在受到振动时会像四周铺展，从而形成中心液体厚度较大，四周较薄的形貌。此特征会形成液滴中心压力大，四周压力低的特征。另外，由于铺展前沿钎料的一侧是与大气相连的自由表面，声传播到该液-气界面时将使液体发生较大的波动，即部分声能转化为动-势能，以涟漪波纹的形式存在。以上两因素的共同作用导致该区域钎料内部的声压值降低，无法发生声空化作用。本课题组之前的大量实验证明，金属液滴铺展时的空化特征可通过高速摄像的方法拍摄得到，拍摄过程中可使用透明玻璃代替金属母材，因此测量其未空化区域的宽度也变得十分简单。另外，液滴铺展本身过程可通过有限元软件FLUENT进行模拟，液滴内部的声压场分布特征和特定位置的声压值亦可轻而易举的得到。因此，结合高速摄像拍摄过程中得到的未空化区的宽度和有限云模拟过程，可得到空化边缘区域的声压值，该声压值即为液态金属的空化阈值。
本发明的有益效果是：
1.液态金属的任意性。本发明可选择任意液态金属，不受成分的限制。
2.测量温度的任意性。本发明可测量液态金属在任意温度的空化阈值。
3.声空化拍摄过程简单，易操作。本发明中在拍摄声空化特征时，使用透明玻璃代替原本不透明的固体母材，此安排可轻易捕捉到液态金属内部的声空化特征；另外，声空化的拍摄过程不受高速摄像机的型号和配置限制，只要能对玻璃母材界面的空化特征进行较为清楚的拍摄即可。
4.有限元模拟过程简单，准确。在计算液体内部的声压值时，使用应用极为广泛的流场有限元计算软件FLUENT，该软件操作简单，且计算结果准确。
5.成本低，适应性强，效率高。超声波作用下液滴的铺展可在大气环境下即可完成，几乎不受周围环境的影响。
本发明提出一种确定液态金属空化阈值的方法。本发明首先使用高速摄影对液态金属超声辅助铺展过程母材/液态金属界面的空化特征的空化特征进行拍摄，拍摄过程中使用耐高温的透明玻璃作为母材，此方法可巧妙解决液态金属内部声空化难以观察的难题；空化拍摄后可对液滴铺展前沿的无法发生空化的区域进行测量。而后通过有限元模拟的方法对液滴铺展过程进行模拟，并对无法发生空化区的边缘的声压进行提取，该声压值即为该种液体的空化阈值。该方法操作简单，成本低，且结果准确；另外，该方法不受液态金属成分的限制，使用范围广。
本发明用于确定液态金属空化阈值。
附图说明
图1为具体实施方式一所述确定液态金属空化阈值装置的结构示意图；
图2为实施例一超声开启8个周期时待测液态金属液滴的照片；
图3为实施例一有限元软件模拟待测液态金属的铺展过程形貌图；
图4为实施例一有限元软件模拟待测液态金属的铺展过程声压场图；
图5为实施例一待测液态金属空化阈值的分析图，其中曲线A代表声压值，曲线B代表相；
图6为实施例二超声开启1000个周期时待测液态金属液滴的照片；
图7为实施例二有限元软件模拟待测液态金属的铺展过程形貌图；
图8为实施例二有限元软件模拟待测液态金属的铺展过程声压场图；
图9为实施例二待测液态金属空化阈值的分析图，其中曲线A代表声压值，曲线B代表相。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举的具体实施方式，还包括各具体实施方式之间的任意组合。
具体实施方式一：本实施方式一种确定液态金属空化阈值的方法，具体按以下步骤进行：
一、将常温下为液态的待测液态金属的液滴放在确定液态金属空化阈值装置的透明玻璃上；
或者将常温下非液态的金属放置在确定液态金属空化阈值装置的透明玻璃上，然后将金属加热为液态，即为待测液态金属；
二、开启超声，并采用高速摄像机对待测液态金属的液滴的铺展过程进行拍摄；
三、选取步骤二拍摄的照片，并记录照片中液滴前沿未发生声空化的宽度及拍摄时刻；
四、利用有限元软件模拟待测液态金属的铺展过程；
五、将步骤三选取的照片与步骤四模拟的铺展过程中的时刻对应，结合液滴前沿未发生声空化的宽度，得到液滴未空化边缘区域的声压值，即为待测液态金属的空化阈值，完成所述一种确定液态金属空化阈值的方法。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述确定液态金属空化阈值装置，包括超声工具头1、母材2、透明玻璃3和高速摄像机4，其中透明玻璃3替换部分母材2，并且透明玻璃3与母材2紧密贴合，超声工具头1紧密贴合在母材2上表面，待测液态金属5放置在透明玻璃3上，高速摄像机4位于的透明玻璃3下方，高速摄像机4镜头设置在待测液态金属5的正下方，并朝向待测液态金属5。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：母材材质为纯铝。其它与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤一中常温下为液态的待测液态金属是纯镓、镓铟合金、镓铟锡合金或镓铟锡锌合金。其它与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四不同的是：步骤一中常温下为非液态的金属为锡、锌、铝或钢材料。其它与具体实施方式一至四相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：步骤二中超声波的频率为15～50kHz，振幅为1～100μm，功率为20～2000W。其它与具体实施方式一至五之一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：步骤二中超声波的频率为20kHz，振幅为6μm，功率为1000W。其它与具体实施方式一至六之一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：步骤二中超声波的频率为20kHz，振幅为5μm，功率为666.7W。其它与具体实施方式一至七之一相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：步骤二中高速摄像机的拍摄帧数为2000～2000000帧/秒。其它与具体实施方式一至八之一相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是：步骤四中有限元软件为FLUENT软件。其它与具体实施方式一至九之一相同。
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例一：
本实施例采用确定液态金属空化阈值装置，包括超声工具头1、母材2、透明玻璃3和高速摄像机4，其中透明玻璃3替换部分母材2，并且透明玻璃3与母材2紧密贴合，超声工具头1紧密贴合在母材2上表面，待测液态金属5放置在透明玻璃3上，高速摄像机4位于的透明玻璃3下方，高速摄像机4镜头设置在待测液态金属5的正下方，并朝向待测液态金属5。
本实施例待测液态金属为共晶镓铟合金。
一种确定液态金属空化阈值的方法，具体按以下步骤进行：
一、在室温条件下将共晶镓铟合金液滴放在所述一种确定液态金属空化阈值的装置的透明玻璃上；
二、开启超声，并采用高速摄像机对待测液态金属的液滴的铺展过程进行拍摄；超声波的频率为20kHz，振幅为6μm，功率为1000W；高速摄像机的拍摄帧数为5000帧/秒；
三、选取步骤二超声开启8个周期时拍摄的照片，并记录照片中液滴前沿未发生声空化的宽度及拍摄时刻；
四、利用有限元软件FLUENT模拟待测液态金属的铺展过程；向软件输入待测液态金属的密度、粘度、表面张力等；
五、将步骤三选取的照片与步骤四模拟的铺展过程中的时刻对应，结合液滴前沿未发生声空化的宽度，得到液滴未空化边缘区域的声压值，即为待测液态金属的空化阈值，完成所述一种确定液态金属空化阈值的方法。
图2为实施例一超声开启8个周期时待测液态金属液滴的照片，从照片中可以看出液滴的铺展形貌和玻璃/金属界面的声空化特征，通过对液滴前沿为空化区域的测量取值可得液滴铺展前沿存在一宽度约为0.2mm的未空化区；
图3为实施例一有限元软件模拟待测液态金属的铺展过程形貌图；
图4为实施例一有限元软件模拟待测液态金属的铺展过程声压场图；
图5为实施例一待测液态金属空化阈值的分析图，其中曲线A代表声压值，曲线B代表相。
通过有限元软件模拟液滴铺展过程中的形貌和对应的声压场特征，并对超声后8个周期时的数据进行提取；气相比在液滴中为0，在大气中为1。结合图2、图3和图4的铺展形貌和数据，可以得出铺展前沿大致位于x＝13.5mm处。液滴前沿非空化区宽度约为0.2mm。因此，x＝13.3mm为空化区边缘，也就是说，此处的声压值可以假定为镓铟共晶合金的空化阈值。由模拟可以得到x＝13.3mm处的声压为65814Pa，即镓铟共晶合金的空化阈值为65814Pa。
实施例二：
本实施例采用实施例一所述的确定液态金属空化阈值装置。
一种确定液态金属空化阈值的方法，具体按以下步骤进行：
一、在室温条件下将纯Sn金属球放置在确定液态金属空化阈值装置的透明玻璃上，然后将金属加热至250℃，Sn金属球熔化，即为待测液态金属；
二、开启超声，并采用高速摄像机对待测液态金属的液滴的铺展过程进行拍摄；超声波的频率为20kHz，振幅为5μm，功率为666.7W；高速摄像机的拍摄帧数为5000帧/秒；
三、选取步骤二超声开启1000个周期时拍摄的照片，并记录照片中液滴前沿未发生声空化的宽度及拍摄时刻；
四、利用有限元软件FLUENT模拟待测液态金属的铺展过程；向软件输入待测液态金属的密度、粘度、表面张力等；
五、将步骤三选取的照片与步骤四模拟的铺展过程中的时刻对应，结合液滴前沿未发生声空化的宽度，得到液滴未空化边缘区域的声压值，即为待测液态金属的空化阈值，完成所述一种确定液态金属空化阈值的方法。
图6为实施例二超声开启1000个周期时待测液态金属液滴的照片，从照片中可以看出液滴的铺展形貌和玻璃/金属界面的声空化特征，通过对液滴前沿为空化区域的测量取值可得液滴铺展前沿存在一宽度约为0.7mm的未空化区；
图7为实施例二有限元软件模拟待测液态金属的铺展过程形貌图；
图8为实施例二有限元软件模拟待测液态金属的铺展过程声压场图；
图9为实施例二待测液态金属空化阈值的分析图，其中曲线A代表声压值，曲线B代表相。
通过有限元软件模拟液滴铺展过程中的形貌(图7)和对应的声压场特征(如图8)，并对超声后1000个周期时的数据进行提取，如图9所示。
气相比在液滴中为0，在大气中为1。结合图7、图8和图9的铺展形貌和数据，可以得出铺展前沿大致位于x＝15.7mm处。液滴前沿非空化区宽度约为0.7mm。因此，x＝15.0mm为空化区边缘，也就是说，此处的声压值可以假定为250℃时纯Sn的空化阈值。由模拟可以得到x＝15.0mm处的声压为126396Pa，即250℃时纯Sn的空化阈值为126396Pa。

Claims (9)

1.一种确定液态金属空化阈值的方法，其特征在于该方法具体按以下步骤进行：
一、将常温下为液态的待测液态金属的液滴放在确定液态金属空化阈值装置的透明玻璃上；
或者将常温下非液态的金属放置在确定液态金属空化阈值装置的透明玻璃上，然后将金属加热为液态，即为待测液态金属；
二、开启超声，并采用高速摄像机对待测液态金属的液滴的铺展过程进行拍摄；
三、选取步骤二拍摄的照片，并记录照片中液滴前沿未发生声空化的宽度及拍摄时刻；
四、利用有限元软件模拟待测液态金属的铺展过程；
五、将步骤三选取的照片与步骤四模拟的铺展过程中的时刻对应，结合液滴前沿未发生声空化的宽度，得到液滴未空化边缘区域的声压值，即为待测液态金属的空化阈值，完成所述一种确定液态金属空化阈值的方法；
所述确定液态金属空化阈值装置包括超声工具头(1)、母材(2)、透明玻璃(3)和高速摄像机(4)，其中透明玻璃(3)替换部分母材(2)，并且透明玻璃(3)与母材(2)紧密贴合，超声工具头(1)紧密贴合在母材(2)上表面，待测液态金属(5)放置在透明玻璃(3)上，高速摄像机(4)位于的透明玻璃(3)下方，高速摄像机(4)镜头设置在待测液态金属(5)的正下方，并朝向待测液态金属(5)。
2.根据权利要求1所述的一种确定液态金属空化阈值的方法，其特征在于母材材质为纯铝。
3.根据权利要求1所述的一种确定液态金属空化阈值的方法，其特征在于步骤一中常温下为液态的待测液态金属是纯镓、镓铟合金、镓铟锡合金或镓铟锡锌合金。
4.根据权利要求1所述的一种确定液态金属空化阈值的方法，其特征在于步骤一中常温下为非液态的金属为锡、锌、铝或钢材料。
5.根据权利要求1所述的一种确定液态金属空化阈值的方法，其特征在于步骤二中超声波的频率为15～50kHz，振幅为1～100μm，功率为20～2000W。
6.根据权利要求1所述的一种确定液态金属空化阈值的方法，其特征在于步骤二中超声波的频率为20kHz，振幅为6μm，功率为1000W。
7.根据权利要求1所述的一种确定液态金属空化阈值的方法，其特征在于步骤二中超声波的频率为20kHz，振幅为5μm，功率为666.7W。
8.根据权利要求1所述的一种确定液态金属空化阈值的方法，其特征在于步骤二中高速摄像机的拍摄帧数为2000～2000000帧/秒。
9.根据权利要求1所述的一种确定液态金属空化阈值的方法，其特征在于步骤四中有限元软件为FLUENT软件。
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