圖片

甘油中超聲脫氣的物理建模

使用甘油進行超聲波脫氣,為進一步研究提供試驗台。

使用甘油對熔融玻璃進行脫氣:可視化概念驗證

選擇甘油進行脫氣,因為它具有與熔融玻璃相似的粘度。由於實驗是在室溫下進行的,因此監測超聲波空化過程要簡單得多。我們使用了兩種實驗裝置,可以目視觀察和記錄脫氣過程。通過使用甘油對熔融玻璃的超聲波脫氣進行物理建模,我們可以簡化未來的工藝優化。

超聲波空化

超聲波空化 涉及將超聲波應用於液體,導致微氣泡的產生、生長、脈動和破裂。一旦達到閾值能級,即甘油的閾值能級約為0.15 MPa,就會開始空化。數以千計的氣泡形成。它們膨脹並迅速坍縮,產生高速衝擊波和幾 GPa 的高壓。也會出現局部高溫。

氣泡在空化核上形成,並通過從甘油擴散到氣泡中而生長。如果液體中已經含有氣泡,那麼這些氣泡就會擴散生長。單個氣泡由於它們之間的吸引力(比耶克內 力和 伯努利 力)而聚結。隨著它們的生長,它們的浮力增加,它們漂浮到水面並將氣體釋放到大氣中。

甘油Sialon Ceramics中超聲波脫氣的物理建模
點擊此處註冊觀看完整影片
用滑鼠從左向右滑動中心箭頭,反之亦然,即可查看超聲波脫氣前後的完整圖像。
甘油Sialon Ceramics中超聲波脫氣的物理建模 甘油Sialon Ceramics中超聲波脫氣的物理建模
甘油Sialon Ceramics中超聲波脫氣的物理建模 甘油Sialon Ceramics中超聲波脫氣的物理建模

超聲波空化的結果

整個過程的視頻可在YouTube上找到 (請註冊觀看): 在這兩種設置中,氣泡生長和聲流傳輸都清晰可見。聲流導致厚厚的氣泡雲形成,最終到達液體表面並分散。在設置 1 中,空化事件主要發生在焊頭表面,大約 30 秒後出現第一個流光。在設置 2 中,在整個液體中形成流光,並且由於容器的形狀,觀察到駐波、節點和反節點區域、高能量和低能量的影響。在這兩個區域中,氣泡相互移動並聚結,顯示出改進玻璃澄清工藝的巨大前景。

在將超聲波能量施加到樣品上之前,它們都含有許多微小的氣泡,使它們處於半透明狀態。隨著時間的流逝,氣泡被去除,甘油樣品澄清。圖1顯示了實驗前後實驗裝置1中的甘油。圖 2 顯示了在設置 2 中應用超聲波之前和之後的實驗樣品和對照樣品。在設置 1 中,大約 4.5 升甘油在 10 分鐘內被澄清。

實驗裝置

使用了兩種實驗裝置。第一個(設置 1)由一個 4.5 升的甘油碗組成,裡面裝有陶瓷焊頭。第二個(設置 2)是一個甘油填充的石英玻璃觀察池,尺寸為 H 63 x W 35 x D 10 mm,向其施加外部超聲波能量。第二種設置還包括一個相同的對照樣品,未應用超聲波能量。

設置 1 中使用的陶瓷焊頭是專門為消除 20 kHz 的 駐波 而開發的。這消除了開裂的危險。

結論

在兩種實驗設置結果中,超聲波空化模式在甘油中 都清晰可見 ,表明該物理模型是研究粘性介質(如熔融玻璃)中脫氣的絕佳方法。

與傳統的脫氣方法相比,熔融玻璃的超聲波 脫氣 具有許多優點。例如,它 速度更快,使用的能量要少得多,並且不使用有毒添加劑。此外,使用甘油對過程進行物理建模為進一步研究和優化過程提供了一種理想的方法。