题目：圆柱形反应器声场分布的数值模拟和实验研究

目前，功率超声已经广泛的应用于工业、农业、医药卫生等部门，尤其在超声清洗、超声加工等方面显现出十分突出的效果。超声应用的机理主要是超声空化，但是由于空化过程的复杂性且对环境参数的依赖性使得迄今为止还没有一种有效、可行的统一方法进行声场测量。然而空化声场的测量不仅对于有效的利用超声能量还是完善理论研究都是很重要的。所以，本文以圆柱形驻波声场为研究对象，从数值模拟和实验测量两方面入手，初步分析了圆柱形反应器的声场分布情况。
选用商用FLUENT软件进行模拟，得出了声压分布云图与气含率云图。在初步了解声场分布的情况下采用水听器为测量工具，在不同功率，不同频率下测量声压分布。并且采用频谱分析仪实时测量空化噪声谱，观察空化现象。主要分为以下几个方面：
1、 用Fluent软件以多相流模型中的混合物模型为基础，耦合空化模型，对圆柱形反应器内部的空化流场进行数值模拟，包括超声振动时的压力场、气含率场的分布。结果发现流场在加入空化模型后，容器底部的压力分布不一致，中间部分以上的流场变化显著，可以看出是呈椭圆形变化，随着迭代步数的增加，绝对压力也逐渐的增大。而气含率由于压力的上升而逐渐变小，同时含气量较高的区域明显在中间，且波腹处的声压明显高于波节处。
2 、改变不同的参数设置进行模拟，分析不同的参数对模拟结果的影响。结果表明：三种湍流模型的模拟结果中，标准模型和RNG模型的模拟结果近似，Realizable模型的模拟结果差异较大。亚松弛因子的设置里，动量和气化质量对模拟的影响较小，密度和质量力的影响较大，其余参数对模拟结果影响较小。入口压力越大，气含量越大，液体中的压强幅值越大。水的温度越高，饱和蒸汽压越大，而流场内的压强幅值越小，气含量越大。不可压缩气体的质量分数越大，模拟点的压强波动越小，流场内的气含量越高。
3 、用水听器为测量工具，采用定点测量方法，测量时分别沿x 、y 、z 轴方向以10 mm 为间隔采样。在实验过程中，通过改变频率、功率等条件来测量声场中的声压，从而得到圆柱形反应器的声场分布。测量结果表明：x轴、y轴声压分布相似，呈现中间高，两边低。而z轴方向上最大值出现在靠近反应器底部位置，沿z轴的声波在传播过程中，会不断的衰减。声压随着功率的增加而显著增加，在最大值附近还会有极大值出现。可以看出频率的增大，声压幅度也会变大，但增大幅度不是很高。
4、 在测量声压的同时将采集到的声信号传输到频谱分析仪，之后实时传输到计算机利用软件进行分析，得到功率谱图。观察功率谱图可以发现：空泡的非线性振动会产生基波,分谐波，谐波线谱，基波和分谐波的幅度随着功率的增加而增大。所以，可以确定声场中出现了明显的空化现象，且随着功率的增大，空化强度越大。