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甘油中超音波除氣的物理建模

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甘油中超音波除氣的物理建模

使用甘油進行超音波脫氣，為進一步研究提供測試平台。.

使用甘油對熔融玻璃進行脫氣：概念驗證視覺化

甘油 因其黏度與熔融玻璃相似，被選用於除氣。由於實驗在室溫下進行，監測超音波空蝕過程變得更加直接。我們使用了兩種實驗裝置，可以目視觀察並記錄除氣過程。透過使用甘油對熔融玻璃的 超音波除氣 進行物理建模，我們可以簡化未來的製程優化。

超音波空蝕

超音波空蝕 涉及將超音波施加於液體，導致微氣泡的產生、成長、脈動與崩潰。一旦達到閾值能量水平，空蝕便會啟動，對甘油而言約為0.15 MPa。會形成數千個氣泡。這些氣泡膨脹並迅速崩潰，產生高速衝擊波和數GPa的高壓。同時也會發生局部高溫。

氣泡在空蝕核上形成，並透過甘油擴散進入氣泡而成長。若液體中已含有氣泡，則這些氣泡會進行擴散成長。個別氣泡因彼此間的吸引力（Bjerknes 與 Bernoulli 力）而合併。隨著氣泡成長，其浮力增加，並浮至表面將氣體釋放到大氣中。

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用滑鼠將中央箭頭從左向右或從右向左拖動，即可查看超音波除氣前後的完整影像。.

Results of Ultrasonic Cavitation

完整過程的影片可在 YouTube（請註冊以觀看）： 兩種設置中，氣泡成長及聲流造成的氣泡傳輸清晰可見。聲流導致形成濃密的氣泡雲，最終到達液體表面並消散。在設置1中，空蝕事件主要發生在超音波振動頭表面，第一個流束約在30秒後出現。在設置2中，流束在整個液體中形成，且由於容器形狀，可觀察到駐波、波節與波腹區，以及高能量與低能量區域的效應。在兩個區域中，氣泡可見彼此移動並合併，顯示出改善玻璃澄清製程的巨大潛力。

在將超音波能量施加到樣品之前，兩者都含有許多微小氣泡，使其呈現半透明狀態。隨著時間推移，氣泡被去除，甘油樣品變得清澈。圖1顯示了實驗設置1中甘油在實驗前後的變化。圖2顯示了設置2中實驗樣品和對照樣品在施加超音波前後的變化。在設置1中，約4.5公升的甘油在十分鐘內被澄清。.

實驗設置

使用了兩種實驗設置。第一種（設置1）由一個裝有甘油且含有陶瓷超音波振動頭的4.5公升碗組成。第二種（設置2）是一個填充甘油的石英玻璃觀察槽，尺寸為高63 x 寬35 x 深10毫米，並對其施加外部超音波能量。第二種設置還包含一個相同的對照樣本，未對其施加超音波能量。.

設置1中使用的陶瓷超音波探頭經過特殊開發，以消除 駐波 在20 kHz頻率下。這消除了破裂的危險。

結論

在兩種實驗設置的結果中，超音波空蝕圖案在甘油中 清晰可見 ，證明此物理模型是研究如熔融玻璃等黏性介質中脫氣作用的絕佳方式。

超音波 除氣 相較於傳統除氣方法，對熔融玻璃有許多好處。例如，它 更快、耗能顯著更少，且不使用有毒添加劑。此外，使用甘油對該過程進行物理建模，為進一步研究與優化此製程提供了理想的方法。