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声压场数值模拟优化气缸超声波清洗技术

摘要

结垢是海洋工业中的一个众所周知问题。积垢发生在不同的结构中，例如海上管道、船体、浮式生产平台。积垢的类型取决于建筑物周围的环境。目前采用的清除污垢的方法从液压、到化学再到手动，这些方法都有一个共同的缺点，即必须停止生产才能开始清洁。传统上，超声波被用于超声波浴中，通过在污染表面上产生和压碎空化气泡来清洁被浸泡的部件；这种方法特别适用于反渗透应用。然而，这需要用水淹没被污染的结构，因此可能需要停止生产。不能用于清洗大型污染结构，如管道。在这项工作中，我们建议使用高功率超声波作为一种去除正在工作中建筑的污垢的手段。本文所做的工作包括在成功清洗管壁方解石污染管道的基础上，建立有限元分析模型。采用Polytec三维激光多普勒振动仪对污垢去除过程进行了研究。结果表明，大功率超声波具有在管道结构中清除激波以及污垢的潜力，并验证了基于压力和位移分布的COMSOL模型，以确定未来传感器阵列如何设计，并优化清洗模式。

关键词：气蚀、化学溶胶、激振、污垢去除、数值模拟、超声波传感器。

第一章 绪论

结垢是海洋工业的主要问题之一[1]。这是评估海洋设施使用寿命和安全性的一个重要因素[2]。因此，大量资金用于清洁和预防，以保持海上结构物的运行和效率。目前用于清除污垢的方法包括液压、化学和手动，其共同缺点是必须停止结构的运行，以便开始清除污垢的过程。海洋结构物中最常见的污染机制是：硬垢沉积和海洋生物的沉降和生长。这种积垢可能发生在不同的工程结构中，如管道和船体。可累积的污垢类型取决于结构本身周围的环境条件。

当饱和盐水经历温度或压力变化，导致溶解性降低，从而导致固体晶体沉淀时，就会发生结垢。管道中的碳酸钙（方解石）成分是海上结构物中最常见的结垢问题之一。在海上工艺管线中形成的其他常见鳞片有硫酸钡（重晶石）、硫酸锶和硫酸镁[3]。有时结垢会在24小时内迅速形成，导致管道完全堵塞[4]。在较慢的时间尺度上，生物污垢是海洋生物的生长。这包括藻类、微生物和微生物[5]。在复杂和大型海上结构物上，污垢可能与结构重量无关，但管道内表面上的污垢在造成结构堵塞、破裂和损坏时是一个重要问题。

由于生产中断，目前部署在工业中的去污方法可能成本高昂且耗时。一种成功的清除污垢的方法是使用化学品[6]，因为这样可以达到100%的去污效果，但由于使用后化学品的释放以及设备的停机时间，会对环境造成负面影响。最近出现的另一种有希望的去除污垢的方法是使用超声波。目前，超声波浴通过在污染表面（7-8），特别是在反渗透应用中（9-11），产生内爆的空化气泡，用于清洁海上设备的各个部件。传统上，积垢的部件被浸入超声波浴中，这再次要求停止结构的操作，以便开始污垢清除过程。

本文研究了利用大功率超声传感器模拟被调查管道结构中超声浴环境条件的可能性。对一根长300 mm、壁厚1.5 mm、外径50.08 mm的不锈钢315 L管进行了研究，在管内壁上形成一薄层方解石。论文的组织结构如下。第二节给出了理论背景，第三节包括实验室实验装置，第四节给出了有限元分析（FEA）。第五节讨论了实验和数值结果，第六节讨论了结论，第七节最后提出了进一步的工作建议

第二章 理论背景

2.1超声空化

本文所讨论的技术的污垢去除机理是由声空化气泡的发展和内爆引起的。声空化可以定义为由于（去）纵波引起的液体压力突然下降而形成的蒸汽泡[12]。由此引入一个稀薄的瞬间，形成一个真空，如图1所示出现一个气泡。在气泡振荡过程中，稀薄时刻半径增大，压缩时刻半径减小。在其中一个循环中，压缩会使气泡（绝热）破裂，产生高达500巴的压力和高达5000 K的温度。

在液体中可形成两种类型的空化气泡：稳定空化，其中气泡在声场中长时间振荡，循环次数多；瞬态空化，持续时间短于一个循环，且剧烈程度足以损坏与液体接触的物体表面。〔12〕。图1[13]说明并比较了稳定和瞬态空化气泡的发展。

图1：显示（a）位移，（b）瞬态空化，（c）稳定空化和（d）压力的稳定和瞬态空化气泡的增长[13]

由于稳定的空化气泡振荡一段时间，它们在内爆时不会产生任何光发射或化学反应。但是，瞬间的空化气泡会以强烈的坍塌而发生内爆，从而在液体中产生光发射和/或化学反应[14]。

尽管定义了两种空化类型，空化气泡也可以是稳定空化和瞬态空化的组合，如Yasui在2018年的文献[14]中所讨论的。这种现象也被称为“高能稳定”和“重复瞬态空化”。两种类型空化组合的空化气泡在很长一段时间内振荡，与稳定空化相似，但它们会产生少量的光发射和化学反应。在单泡声致发光（SBSL）中可以找到这种稳定空化和瞬时空化结合的例子[15]。

稳定空化在传感器的激励频率以及空化的谐波和次谐波下振荡[16]。这些谐波和次谐波会产生声发射，可以检测到声发射，以指示气穴的产生。用瑞利-普莱塞特方程[17]解释了单球振荡空化泡的非线性性质：

（1）

式中，p（t）是气泡内的压力，假设为均匀，pinfin;（t）是离气泡无限远的外部压力，rho;l是周围液体的密度，假设为常数，r（t）是气泡的半径，nu;l是周围液体的运动粘度，假设为常数。s是气泡的表面张力。

2.2 清除污垢

超声波已用于不同的应用，如焊接、化学活性刺激、活体细胞的声化学破坏、结晶、化学活化和清洁[18-19]。声空化现象被用于超声波清洗应用中。声空化气泡是由朗格文螺栓夹紧hputs[20]产生的高压振动产生的。这些传感器产生超声波纵波，如果传感器在其主共振频率下激励并达到所需的压力振幅以超过空化阈值，则超声波纵波可穿过液体并产生空化。

超声波清洗的应用，特别是超声波浴，已被实施，以协助清洗超滤膜。hputs已被用于各种应用，如去除幼年藤壶[21]、去除草莓上的杀虫剂而不损坏草莓[22]、使用具有超声空化作用的溶解液清洁3D打印部件[23]、通过将卵母细胞彼此分离和从卵巢T中分离来协助鱼类繁殖研究。问题[24]和超声波清洗涡轮发动机的机油滤清器[25]。

膜清洗应用的一个例子是控制废水膜超滤中的污垢形成[26]。研究表明，超声辅助清洗可以减少膜污染。他们还显示了施加的频率（在低频~35kHz激励时）与污垢形成的减速之间的关系。在较高频率（~130kHz）下激发，可提高污垢去除率。结果表明，由于更高频率的激发，在散装液体中的自由基位置的清洗效果更好[26]。

此外，还对超声波技术在换热器中的应用进行了研究[27]。结果表明，清污模式与清污开始时节点和波腹的位置匹配，并随着振动长度的增加而逐渐扩展。

文献[28]讨论了声流、微流、微射流和微流注四种防污机理，它们是超声空化产生的物理效应。空化驱动的机理被应用于不同的清洁应用，特别是在生物除污中。在低超声频率（如20kHz）下的激励产生了强大的剪切力，导致了超声波空化产生的四种防污机制

2.3 有限元建模

文献给出了各种模拟空化产生的方法。然而，由于这种现象的复杂性，每个模型仅限于模拟少量空化气泡[29-31]。超声波清洗模型的另一种方法是绘制压力分布图，并将其与达到产生气蚀所需的压力阈值时气蚀的可能性相关联。

Lewis等人进行了一项模拟超声波清洗预测的研究。[32]世卫组织将实验中发现的空化压力阈值与计算的压力分布相关联，以预测在高于阈值的压力位置出现空化。工作表明，在水中发生气蚀所需的最小压力为5巴[33]，需要足够大的压力振幅来克服拉伸应力键[34]。这项工作表明，有可能根据压力分布建立一个简化的模型来预测清洗。

虽然可以对产生气穴所需的初始压力进行建模，但这忽略了气穴产生的影响，而气穴产生实际上会改变流体介质中的压力分布[35]。

用于计算图2中实线的方程是压力振幅的空间分布：

（2）

式中，pa（x）为位置x处的声压振幅，x为对称轴上距圆形活塞的距离，rho;为液体密度，c为液体中的声速，nu;0为角尖的声速振幅，lambda;为液体中超声波的波长，a为圆形活塞的半径。

图2：根据对称轴上喇叭尖的距离计算出的超声波喇叭下的声振幅。点曲线是等式2计算的结果（实验）。通过数值模拟与实验观测的比较，估算出了固体曲线[34]

Yasui 等人。[35]讨论了当产生气穴时，声振幅的变化，即为在不产生气穴的流体介质中产生的压力的三分之一。这表明空化产生的流体与没有空化的流体的比例为三分之一。当将此比例应用于忽略空化产生的有限元分析模型时，压力分布将超过估计值的3倍。

Moholkar等人在2000年[33]指出，产生气穴的最小压力为5巴，但由于该模型忽略了气穴，因此他们也没有考虑到气穴的存在会影响压力分布。此外，产生空化所需的最小压力是不确定的，因为Yasui在2018年的最新工作[14]指出，40 kHz谐振传感器需要大约1-2 bar的压力作为最小空化阈值。

在流体中产生空化会降低声场内的压力振幅，从而将声波衰减到周围的液体中[36]。由于超声波作用在结构的壁上，压力振荡使壁振动。墙壁的强烈振动发出强烈的声波。此外，声场还取决于壁的材料和超声波的衰减系数（随着空化气泡的增加而增加）。衰减的增加减小了壁面振动。对声场的另一个影响需要进一步研究，即流体中气泡的脱气[36]。

由于本文的重点是圆柱形试件的振动产生空化，因此必须考虑壁面的辐射。雅思等。[37]描述耦合声化学反应器内反应器壁辐射的重要性。他们描述了几篇研究中忽略了壁振动的文献，然而，研究论文通过将该界面与流体域耦合，包括了壁振动的影响，但忽略了声化学反应器内空化气泡的影响。雅思等。[35]实施了耦合声化学反应器壁振动的数值模拟，但由于衰减与空化泡之间的关系，通过改变模型的衰减系数，也考虑了空化泡。空化气泡不仅影响振动壁的衰减，而且也影响声速在流场中的变化，Yasui等人忽略了这一影响。[35]液体的声速保持不变。

近年来，在模拟空化气泡和绘制压力分布图方面，使用Comsol多物理包已变得很流行[38]。COMSOL允许结合与气穴产生和超声波清洗有关的不同物理效应。该方法可以忽略空化气泡的发展，只关注压力分布，以帮助设计超声波清洗系统[38]，[39]。

第三章 实验设置

实验装置的目的是用超声波[40]证明污垢去除能力。污染样品进行局部超声波清洗，与COMSOL模型进行比较。

管道内的污垢是通过电化学反应提前产生的，从而形成一种称为方解石的结晶污垢[40]。图3显示了浸泡在碳酸钙溶液中的管道样品，其中电化学反应、电解和水解迅速发生，在管道内壁上沉积方解石。

图3：在实验室条件下制备污染样品（方解石），说明基本设备用于产生电化学反应。此样本用于实验验证。使用的样本是长300 mm，壁厚1.5 mm，外壁直径50.08 mm的不锈钢管

3.1 有限元建模

用于该技术的传感器经过了接触面加工，以增加传感器和管道试样之间的接触（图4）。这种修改允许管道的较大表面承受高压振幅，以便产生气蚀。

图4：（a）标准传感器和（b）凹面传感器的图示，用于更好地接触管道

具有棘轮带的换能器保持器用于保持换能器到位，并且在连接到管道之前将声学耦合凝胶施加在换能器的接触表面上，以确保在换能器和管道之间没有被捕获的气泡，以保持刚性接触。

3.2 污垢清除装置

除垢实验装置包括一个信号发生器和一个用于传感器励磁的功率放大器。使用3D激光多普勒振动计（3D-LDV）进行数据采集（图5）。除污实验包括以下设备清单：

声耦合凝胶

bull;带棘轮带的传感器支架

bull;凹面40 kHz朗格文传感器

bull;Polytec PSV-500 3D-LDV

bull;1040L功率放大器

bull;DSO-X 2012A示波器

bull;不锈钢315 L管-长300 mm，壁厚1.5 mm，外壁50.08 mm

用DSO-X2012A示波器对正弦波输入信号进行脉冲处理。频率调整到共振值，并在整个实验过程中保持不变。将振幅调整为1 V并发送至1040 L功率放大器。

1040L功率放大器在55分贝增益下覆盖10千赫至5兆赫的频谱，将放大后的信号发送给传感器。40 kHz传感器安装在不锈钢315 L管道上，该管道长300 mm，壁厚1.5 mm，外径50.08 mm，管道内壁有一层薄方解石。

在污垢清除试验过程中，Polytec 3dldv被用来测量从传感器传播波的结构的振动。之前的研究中使用了3D-LDV来研究管道表面的超声波应力分布[41]。外表面上的位移可与清洁模式进行比较，以将外表面上的节点和波腹与内壁上的清洁片相匹配。

图5：（a）除污实验装置示意图；（b）实验装置照片显示使用3D-LDV捕捉表面位移与数值结果的比较

第四章 有限元分析理论与方法

为了帮助理解波传播如何在结构上促进更大范围的污垢去除，在Comsol Multiphysics 5.2a中创建了有限元模型。该模型由一个放置在不锈钢管上的朗格文传感器组成，与实验样品的尺寸和材料特性相匹配。Langevin传感器的部件如下所示，如图6所示。

图6:hput主要部件的图解

bull;PZT陶瓷环（压缩）–1/8波长

bull;两个接触板

bull;前质量-半波长长度背质量

bull;带螺母的偏压螺栓–波长为1/4

bull;环氧树脂-作为部件之间的粘合剂和声学耦合剂

模型忽略了传感器内的接触板和环氧树脂。相反，电压直接施加在压电陶瓷环的表面上。

模型中加入了几个COMSOL物理模块，以说明通过将固体管壁的传感器激励纳入模型，以说明通过固体管壁的传感器激励进入流体领域。具体物理使用如

资料编号：[3442]