摘 要

本论文主要针对离子交换树脂的清洗、再生和延展开展工作。以清洗、再生后树脂的再生交容量为指标，在超声波清洗和流化床耦合的前提下，实验探讨超声波换能器布置形式以及再生效果的影响。以流化床作为基本构型，对流动状态下超声换能器的布置形式进行理论计算，验证理论分析结果，为该清洗装置的规模化应用奠定基础。根据实际情况选定合适的超声波频率，构建符合超声波清洗和化学再生联用前提下的超声波清洗流化床，通过匹配超声波换能器布阵方式来设计合适的超声波流化床。通过计算得出满足超声空化的声强条件，并以此超声阈值设计换能器不同的声场分布。通过solidworks建立流化床构型的模型，以方形槽作为统一的流化床-超声耦合研究载体，在不同的声发射强度下，采用comsol multiphysic建立流体和超声波耦合场模型，探究不同超声波换能器布置方式、换能器频率、功率对声场的影响，并在满足超声阈值的前提下，以均匀的声场分布为评价指标，选取最优构型。

关键词：流化床 超声场 Comsol Multiphysics 超声波清洗槽

Structure and optimization of solid - liquid two - phase fluidized bed ultrasonic field

Abstract

This paper focuses on the cleaning, regeneration and extension of ion exchange resin.On the premise of ultrasonic cleaning and fluidized bed coupling, the arrangement of ultrasonic transducer and the effect of regeneration were studied.Taking fluidized bed as the basic configuration, the layout of ultrasonic transducer in flow state was calculated theoretically, and the theoretical analysis results were verified, which laid a foundation for the large-scale application of the cleaning device.According to the actual situation to select the appropriate ultrasonic frequency, ultrasonic cleaning fluidized bed in line with the ultrasonic cleaning and chemical regeneration under the premise of ultrasonic cleaning fluidized bed, by matching ultrasonic transducer array to design the appropriate ultrasonic fluidized bed.The sound intensity condition satisfying the ultrasonic cavitation is calculated and the different sound field distribution of the transducer is designed based on the ultrasonic threshold.Fluidized bed configuration of the model is established through the solid works, a square tank as uniform fluidized bed - ultrasonic coupling research carrier, under the different acoustic emission intensity, using comsol multiphysic fluid and ultrasonic coupling field model is established, and to explore different ultrasonic transducer arrangement, transducer frequency and power of the influence of sound field, and on the premise of meet the ultrasonic threshold, with uniform distribution of sound field as evaluation index, select the optimal configuration.

Key Words： Fluidized bed ;Ultrasonic field ;Comsol Multiphysics ;Ultrasonic cleaning tank

目 录

摘 要 I

ABSTRACT i

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 课题研究的意义 2

1.3 流化床和超声波应用现状 2

1.3.1 超声波水处理技术 2

1.3.2 流化床的去污、干燥装置 3

1.3.3 声场流化床 4

1.4 Comsol Multiphysics软件介绍 5

1.5 Comsol对耦合场的研究 6

1.6 本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）： 6

1.6.1 研究目标 6

1.6.2 研究方法 7

第二章 超声衰减的理论分析及计算 9

2.1 超声波的衰减理论 9

2.2 超声空化的评价标准 9

2.3 超声空化的阈值计算 10

2.3.1 超声阈值理论计算 10

2.3.2 空化效应及其评价指标 11

第三章 超声波清洗槽模型建立与声场设计 13

3.1 超声换能器的工作原理 13

3.2 超声换能器分析方法 13

3.3 SolidWorks建模 13

3.4 COMSOL网格划分 16

3.4.1 模型的声学参数 18

3.5 基于Comsol的声场分析 19

3.5.1 固相存在对声场的影响 19

3.6 超声波清洗槽内的声场模拟 20

3.6.1 Comsol相关边界条件设定 20

3.6.2 Comsol对超声波清洗槽模型的声场分析 21

3.6.3 固液两相中的声场衰减 21

3.7 研究结果 24

第四章 结论与展望 25

4.1 结论 25

4.2 展望 25

参考文献 27

致谢 31

第一章 绪论

1.1引言

几年来，社会发展日新月异，流化床在燃烧、粉碎及干燥等技术在化工、石油、能源等领域有广泛的应用。20世纪40年代，流化床技术开始应用于石油炼制工业领域，包括石油的流化、催化、裂化等^[1]，且研究已获得了许多重大进展，现已应用于工农业生产领域，例如原子能、环保等，并为颗粒等的加工、运输及提高催化效率提供有效的手段。目前，我们的社会正处于飞速发展的阶段，所以对能源的需求及消耗非常巨大，由于经济的不断发展，导致社会对能源的过度依赖从而加大了资源的开采量，而且利用率低也造成了能源的严重浪费，由于贫瘠的油田、极少的气体及丰富的煤矿使得煤炭^[2]成为我国主要的使用能源，使之出现了大量得煤炭工厂。但是，随着人们对煤炭的过度依赖使用，让我们的生活环境受到严重的污染，因为这些问题，我国加大对资源合理利用的重视。固液流化床^[3]是一个很好的契机，由于这项技术操作无难度、具有较高的分选精度以及较低的密度等优点让其在煤炭分选技术领域迅速发展，现有多种流化床设备，如CSS分选机、水力浮选分选机等^[4]，大大提高了煤炭分选技术，为社会带来更多的经济效益。而今，流化床应用于我们生活中的方方面面，为我们提供了极大的便利。

20世纪30年代初，超声波清洗技术起源的比较早。频率超过20000Hz的声波称为超声波。它具有清洗效果好、速度快、质量高、安全性好等优势。现广泛应用于机械行业、医疗行业、表面喷涂处理行业、钟表首饰行业等。目前广泛应用于机械、医疗、工件表面喷涂等行业。由于这项技术技术在各个行业、领域都有广泛的应用，并且随着它的不断扩大，也有很多新进展出现。最近一段时间，有很多具有强大功能的超声波清洗设备。随着社会的快速发展，工业化的进步给我们带来了废水和有机污染物等环境问题。但目前我们主要依赖于生物降解、物理降解和化学降解等^[5]方法来处理这些问题，但是这些方法在很多方面都有局限性，所以超声波处理技术逐渐成为一种理想的研究方向。

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