声化学反应器中声场的研究

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自从二十世纪七十年代开始,超声波作为一种新的能量形式,作用于化学反应过程,超声学与化学之间相互渗透,从而开辟了新的化学反应途径。超声波不但能改善反应条件、加快反应速度以及提高反应产率,而且,使一些以前不能、或难以进行的反应得以顺利进行。基于此,产生了一门新兴的交叉学科——声化学。自声化学这门新的边缘学科诞生之后,在二十多年的时间里已经有了快速的发展。声化学反应器是声化学反应实现以及进行声化学研究的重要场所,它指的是有声波参与,在声波的作用下,进行声化学反应的容器或系统。其结构主要包括反应器溶液的空间和换能器两个部分,根据反应液体体系的要求不同以及其基本结构原理可以将声化学反应器分为:清洗槽式、杯式、液哨式和变幅杆浸入式等。因为声化学是声能量和物质间的一种独特的相互作用,目前科学研究者较为统一的观点认为声化学反应的主动力和主要机制是超声空化。声化学反应器中声场分布的研究,对于最佳反应条件的确定,声化学反应产率的提高都有重要影响,并且对于推动声化学技术由实验室规模向工业过渡也很重要。基于以上分析以及矩形声化学反应器在声化学研究与应用中的基础地位,本文研究了这类声化学反应器中的声场分布。首先从基本声波方程出发,对矩形声化学反应器中的声场分布做了理论计算,其次分析了反应器尺寸及液体深度对矩形声化学反应器内空化场分布的影响,最后实验验证了声化学反应器中声场分布的情况。论文的主要研究内容如下:1.从基本的三维波动方程出发,对矩形声化学反应器中的声场做了理论分析。在此基础上,得到了反应器尺寸及液体深度随声源波长变化时的纵向声压分布情况。2.利用Matlab仿真并分析了纵向声压分布情况。结果表明,总声压幅值分布由简正声波和高次同相振动叠加而成,近场区总声压幅值以高次同相振动为主,随着液体深度的增大,声压幅值迅速衰减;远场区,总声压幅值则以简正声波为主,随着液体深度的增大,声压幅值起伏变化。当液体深度取四分之一波长的奇数倍时,高次同相振动对总声压幅值分布的影响可以忽略,总声压是各种简正声波的叠加;当满足一定条件时,可以发生纵向共振的现象,槽体内的声场分布类似于单一平面波形成的驻波。3.利用水听器法和染色法分别测量了27.8kHz和33.3kHz两种频率下反应器内的声场分布,并进行了讨论和对比分析,实验结果和理论分析结果基本一致。
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