高能超声分散纳米晶须的数值和物理模拟

doi:10.11868/j.issn.1001-4381.2016.07.003

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为研究高能超声处理制备纳米复合材料过程中纳米增强相在熔体中的分散过程，采用甘油为介质分别进行了数值模拟以及物理模拟。数值模拟结果表明，当超声作用于甘油中时，甘油中会形成中心-底面-壁面-中心的环形流动，变幅杆探头端面边缘附近甘油流体存在最大的流动速度，且随着超声功率的增大，流体运动速度增大。物理模拟实验结果显示，高能超声作用下甘油的实际运动行为与数值模拟结果相符合，存在环形流动；此外，高能超声作用下甘油中存在明显的空化效应；纳米晶须在超声作用下于甘油中分散良好，且随着超声功率的增大，达到充分分散所需时间变短。

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	赵福泽
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关键词 ：超声分散, 纳米晶须, 数值模拟, 物理模拟

Abstract：

High intensity ultrasonic processing is a good way to fabricate nano-composite. In order to study the dispersion process of nano-whiskers under high intensity ultrasonic, numerical and physical simulations of nano-whiskers' dispersion under high intensity ultrasonic were carried out by using glycerol as fluid medium. The numerical simulation results show that ultrasonic forces the fluid to flow along the center line-bottom-wall-center line route and flow velocity is the maximum near the probe tip edge. Besides, the flow velocity increases with the increase of ultrasonic power. The physical simulation results are in good agreement with the numerical simulation results. In addition, cavitation as well as convection is found in the glycerol during the ultrasonic processing; the nano-whiskers are dispersed well in the glycerol under ultrasonic, and the time for fully dispersion decreases with the increase of ultrasonic power.

Key words： ultrasonic dispersion nano-wisker numerical simulation physical simulation

收稿日期: 2015-01-04 出版日期: 2016-07-19

中图分类号:

O426

基金资助:国家自然科学基金资助项目(51274184)

通讯作者: 杨院生 E-mail: ysyang@imr.ac.cn

作者简介: 杨院生(1956-), 男, 研究员, 博士, 主要从事高温合金与耐热钢、新型镁合金设计与制备、凝固技术与材料制备以及凝固与制备过程模拟计算方面研究, 联系地址:辽宁省沈阳市沈河区文化路72号中国科学院金属研究所(110016), E-mail:ysyang@imr.ac.cn

引用本文:

赵福泽, 朱绍珍, 冯小辉, 杨院生. 高能超声分散纳米晶须的数值和物理模拟[J]. 材料工程, 2016, 44(7): 13-18.
Fu-ze ZHAO, Shao-zhen ZHU, Xiao-hui FENG, Yuan-sheng YANG. Numerical and Physical Simulations of Nano-whiskers' Dispersion Under High Intensity Ultrasonic. Journal of Materials Engineering, 2016, 44(7): 13-18.

链接本文:

http://jme.biam.ac.cn/CN/10.11868/j.issn.1001-4381.2016.07.003 或 http://jme.biam.ac.cn/CN/Y2016/V44/I7/13

Table 1 20℃下实验用甘油的物性参数

Fig.1 甘油超声处理模型示意图(a)以及有限元网格划分(b)

Fig.6 搅拌作用下纳米晶须的分散状态

Fig.2 不同功率下甘油的流场计算结果(1)流速矢量图；(2)流速云图
(a) P=200W；(b) P=400W；(c) P=600W

Fig.3 不同时刻甘油中声流形态(a)2s；(b)5s；(c)10s；(d)20s

Fig.4 纳米晶须在甘油中的超声分散过程(a) 2s；(b) 10s；(c) 50s；(d) 90s

Fig.5 不同超声功率下晶须完全分散所需时间

Fig.7 高能超声作用下晶须在甘油中的分散原理示意图

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