多物理场建模提升声流分析效率-绵羊汽车生活记录

声流（acoustic streaming，简称 AS）是一种利用声波保持流体作稳定流动的技术，可用于调节金属凝固工艺中的晶粒形态。为了获得性能最优的产品，从事金属加工的工程师需要对声流现象进行优化，然而实验测试依赖于昂贵的实验装备，成本非常高昂。为了减少研发成本，研究人员使用 COMSOL Multiphysics® 软件对声流技术进行了分析。

熔融金属凝固时，晶粒开始形成。它对固体金属的物理性质有很大的影响；例如晶粒越细，其强度和硬度就越高。金属晶粒受温度、冷却时间等诸多因素的影响。在金属凝固过程中，工程师利用声流对晶粒产生曳力，从而达到调整晶粒形态的目的。

将持续震荡的超声发生器至于液体中使液体产生稳定的流动，就可以形成声流现象。为了使效果显著，声波需要高幅度和高频率，一般达到超声范围。因此，这种技术需要加入超声波处理。

通常，工程师依赖于成本高昂的物理实验来进一步改进与开发声流技术。仿真是一种可靠的替代方案，它允许金属加工的专业人员建立模型，尝试各种材料和流体，从而全面地分析声流技术。之后，再通过实验测试验证模型。

隶属于瑞士西北应用科学大学（University of Applied Sciences Northwestern Switzerland）的热工与流体学院及产品设计与生产工程学院测试了仿真分析的可行性。让我们一探究竟吧。

研究小组的目标是建立一个支持调整参数、分析各类流体的模型，并对其进行实验验证。所建立的二维轴对称模型可以模拟流体中持续震荡超声发生器所产生的时谐声压场分布。他们通过假设等温特性、忽略空化以及时间平均的稳态流动而简化了模型。

声流的示例几何模型。编号点表示边界位置，彩色点表示三个无质量示踪粒子的位置。图片由 D. Rubinetti、D. Weiss, J. Muller 和 A. Wahlen 提供，摘自他们在 COMSOL 用户年会 2016 年慕尼黑站发布的论文。

第一步研究表明，超声波发生器的加速度使得声粒子的速度急剧增大；通过第一步研究结果可以得到第二步研究所需要体积力项。

在流体流动研究中，流动模式的起点是由主动超声波发生器发射的轴向射流。射流直达底部，偏转后在底部角落形成旋涡。流动在开阔的界面区域几乎呈静止状态，流动速度在超声波发生器下方达到最大。

左：频率为 20 kHz，幅度为 30 µm 的铝熔体的稳态速度场。右：比较三处无质量粒子的速度，其颜色与示例几何的颜色相互对应。图片由 D. Rubinetti、D. Weiss, J. Muller 和 A. Wahlen 提供，摘自他们在 COMSOL 用户年会 2016 年慕尼黑站发布的论文。

观察示踪粒子在三块区域内的扩散状况，模型显示了超声波发生器下方的粒子（在上右图中为黑线）具有较大的加速度，这增加了循环次数。

为了对仿真进行实验验证，研究人员创建了一个小型实验室模型，其中铝制超声波发生器的下半截浸在灌满液体的坩埚中。接着，他们测试了 20 kHz 的频率和 10、20 和 30 µm 三个不同的幅度。为了追踪实验使用的荧光晶粒，团队使用了高速摄像机、二极管激光器和激光片。最后，他们利用粒子图像测速技术确定了相互关联的速度场。