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超声悬浮温度特性的试验研究及有限元分析

作　者: 崔卫芳
导　师: 赵波
学　校: 河南理工大学
专　业: 机械设计及理论
关键词: 单轴式超声悬浮无容器处理声辐射压力
分类号: TB559
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

超声悬浮是一种重要的无容器处理技术,它能够模拟空间环境,避免物体与容器壁的接触,同时对悬浮物体没有电磁学性质上的特殊要求,原则上可以悬浮任何性质的材料,并且不产生附加热效应,因此在各种悬浮技术中倍受青睐。但是,声悬浮无容器处理技术是在加热过程中进行的,而加热过程会影响到声场的物理条件并有可能导致实验的失败。因此,在声悬浮无容器加热实验过程中,了解温度变化对悬浮性能的影响是非常必要的。论文在对超声悬浮基本原理进行分析的基础上,研制了一套具有温度控制功能的单轴式超声悬浮装置。论文对不同参数的悬浮装置的悬浮性能进行了实验研究,发现采用凹球面反射盘的悬浮能力明显地强于平面反射盘,并且发现采用合适的曲率半径和较大的截面半径的反射盘可以显著提高声悬浮力。此外,论文还对不同样品进行了加热实验研究,实现了钢球、陶瓷球、塑料球分别在56℃、133℃、208℃时的稳定悬浮,发现了谐振间距随着温度的升高而增加,实验过程中需要不断地调谐,增大谐振间距,使声场达到谐振状态,从而实现样品的稳定悬浮。建立了单轴式超声悬浮系统的有限元模型,利用数值分析的方法探讨了发射盘与不同截面半径、不同曲率半径的凹球面结合的悬浮性能,并分析了不同温度下的声场,计算出了不同温度下的声辐射压力。通过分析发现,声辐射压力随着温度的升高而快速衰减,当温度增加到150℃时,最大声辐射压力减小了60%,温度变化对声辐射压力的影响要比对谐振间距的影响强烈的多。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-10
1 绪论  10-23
  1.1 引言  10-11
  1.2 目前存在的悬浮技术  11-15
    1.2.1 自由落体技术  11-12
    1.2.2 目前的悬浮技术  12-15
  1.3 国内外声悬浮技术的研究现状  15-19
  1.4 声悬浮无容器处理技术的应用  19-21
    1.4.1 无容器熔化和凝固  19-20
    1.4.2 液态物性参数测量  20
    1.4.3 生化分析  20-21
  1.5 论文的主要研究内容  21-23
2 超声悬浮技术的理论分析及影响因素  23-34
  2.1 单轴式声悬浮的原理  23-24
  2.2 声辐射力理论  24-28
    2.2.1 声辐射力的产生  24-25
    2.2.2 Gor'Kov 的声辐射理论  25-26
    2.2.3 悬浮稳定性  26-28
  2.3 影响声场悬浮能力的主要因素  28-33
    2.3.1 样品对悬浮能力的影响  28-29
    2.3.2 声场强度对声悬浮能力的影响  29-30
    2.3.3 气体介质对声悬浮能力的影响  30-31
    2.3.4 重力水平对声悬浮能力的影响  31-32
    2.3.5 声流对声悬浮能力的影响  32-33
  2.4 本章小结  33-34
3 单轴式声悬浮加热实验装置的设计及振幅测试  34-50
  3.1 单轴式声悬浮装置的总体设计  34-35
  3.2 超声波发生器及换能器的选用  35-36
  3.3 变幅杆的设计  36-41
    3.3.1 变幅杆的作用及工作原理  36-37
    3.3.2 变幅杆类型的选择  37-38
    3.3.3 变幅杆材料的确定  38
    3.3.4 变幅杆几何参数的确定  38-40
    3.3.5 变幅杆与换能器的连接  40-41
  3.4 发射盘的设计  41-43
    3.4.1 发射盘材料的选取  41
    3.4.2 发射盘尺寸的设计  41-43
  3.5 反射盘的设计  43-44
  3.6 加热系统和温度控制系统的设计  44-45
  3.7 变幅杆的振动特性测试  45-48
    3.7.1 实验设备  45
    3.7.2 实验步骤  45-46
    3.7.3 测量值的标定  46
    3.7.4 结果与讨论  46-48
  3.8 试振实验  48-49
  3.9 本章小结  49-50
4 单轴式声悬浮的实验研究  50-62
  4.1 引言  50
  4.2 实验方法  50-52
    4.2.1 实验步骤  50-51
    4.2.2 声悬浮系统的技术要求  51
    4.2.3 单轴式声悬浮的调谐方法  51-52
  4.3 实验研究  52-61
    4.3.1 实验样品的性质  52
    4.3.2 不同模式下的声悬浮  52-53
    4.3.3 声悬浮器的几何参数对悬浮能力的影响  53-55
    4.4.4 加热过程中的声悬浮  55-61
  4.5 本章小结  61-62
5 单轴式声悬浮的声场数值模拟分析  62-79
  5.1 理论分析  62-63
  5.2 声辐射压力的求解过程  63-72
    5.2.1 声辐射压力  63-64
    5.2.2 入射波的速度势  64-65
    5.2.3 建立模型  65-66
    5.2.4 求解过程  66-67
    5.2.5 计算结果  67-72
  5.3 结果分析  72-77
    5.3.1 不同模式下的声辐射压力  72
    5.3.2 声悬浮性能与悬浮装置几何参数的关系  72-73
    5.3.3 温度对悬浮性能的影响  73-77
  5.4 本章小结  77-79
6 结论与展望  79-81
  6.1 总结  79-80
  6.2 展望  80-81
参考文献  81-85
作者简历  85-86
学位论文数据集  86

超声悬浮温度特性的试验研究及有限元分析

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