超声空化耦合声流除冰的机理与实验分析

《Applied Acoustics》：Mechanism and experimental analysis of ultrasonic cavitation-coupled acoustic flow de-icing

超声空化与声流耦合除冰方法研究，探讨频率、声源振幅及盐度对空化气泡塌陷压力、微射流压力及声场分布的影响，通过COMSOL模拟和实验验证发现盐度和超声功率显著影响除冰效率，证实超声空化与声流是主要除冰机制。

　　

作者：宋石、陶莉、李春红、严鲁涛

北京邮电大学智能工程与自动化学院，北京 100876，中国

摘要

除冰在确保交通、电力和航空航天系统的安全稳定运行中起着至关重要的作用。本文提出了一种结合超声波空化与声流效应的除冰方法。研究了频率、声源幅度和盐度对超声波空化气泡最大破裂压力和最大微射流压力的影响。利用COMSOL Multiphysics软件模拟了不同盐度条件下的液体分布情况，揭示了盐度对声场中声压的影响。最后，通过实验研究了盐水和纯水环境中的除冰效果，验证了盐度和超声功率对除冰效率的影响。实验结果表明，超声波空化效应和声流效应是主要的除冰机制。本研究为极地开发、海洋设备和液压工程中解决冰害问题开辟了新的方向。

引言

冰层会对高压输电线路[1]、[2]、[3]、飞机[4]、[5]、[6]、[7]、建筑物[8]、[9]、[10]、[11]、船舶[12]、[13]以及可再生能源设施[14]、[15]、[16]、[17]造成严重损害。尽管防冰涂层可以减弱冰的附着力或降低冰点[18]、[19]、[20]、[21]、[22]、[23]、[24]、[25]、[26]、[27]、[28]，但它们只能延缓结冰过程，而不能实现主动除冰。近年来，人们开发了多种除冰技术，如光热除冰[29]、等离子弧法[30]、红外法[31]、电阻法[32]、水射流法[33]和功率超声[34]。然而，基于功率超声的除冰研究仍相对较少。

Daniliuk等人[35]首次验证了超声波除冰的可行性。Amer等人[36]将一个共振频率为28 ± 0.5 kHz的超声换能器与霜层接触，发现霜层厚度减少了24%。受超声波除霜技术的启发，Li等人[37]进行了实验，研究了凝结时间、超声功率和作用时间对液滴雾化形态的影响。结果表明，超声振动可以有效雾化并去除雾化区内的凝结液滴。Wang等人[38]通过在固定铝基板侧面安装两个超声换能器来应用超声振动原理。实验结果表明，超声振动除冰是一个连续的过程，它能在冰层中产生显著应力，导致大块冰块的疲劳断裂和脱落[39]、[40]。Hua等人[41]通过实验证明，超声振动产生的热效应可以迅速将界面温度升高到0°C以上，从而加速冰层的脱落。Xu等人[42]在叶片前缘结构的内表面粘贴了加热电阻丝，在外表面安装了压电换能器，实验结果表明电热超声联合除冰效果显著。

已经开发出多种方法来分析超声波空化对除冰过程的影响。Liu等人[43]利用水下气泡流冲击冰层，以减少冬季水面结冰对正常船舶航行的潜在负面影响。实验表明，冰-水界面逐渐形成了一个中央凸起结构，随后趋于稳定。实际上，超声波以纵波的形式在液体介质中传播，从而形成高压区和低压区。这种压力变化不仅会产生空化气泡，还会引发液体介质内部的粒子振动和能量传递，形成宏观的气泡流，超声波空化效应会诱导声流效应。Yan等人[44]利用超声波在水中产生的空化效应来提高冰储存罐的制冷性能。

然而，关于利用超声波空化去除冰层的应用和机制的现有研究仍然有限[19]。本研究建立了盐水密度、盐水空化气泡内的饱和蒸汽压力以及盐水表面张力系数的经验公式。在考虑界面对空化气泡振动行为影响的基础上，研究了频率、声源幅度和盐度对空化气泡最大破裂压力和最大微射流压力的影响。利用COMSOL Multiphysics软件模拟了不同盐度条件下的盐水声场分布。最后，通过实验观察了过冷冰的变化，并进一步分析了盐度和声功率对除冰效率的影响。

章节片段

空化气泡破裂力学的数学模型

在液体中，超声波仅以纵波的形式传播，导致液体密度周期性波动，形成正压和负压相位。在负压相位时，分子克服范德华力形成空化核。在正压相位时，空化气泡被压缩直至破裂。空化气泡破裂产生的射流用于实现物质去除[45]。

声场模拟

在液体声传播介质中，高频超声振动产生声能，这种声能的衰减会导致声场能量梯度的形成，进而引发沿声波传播方向的流体流动。这种现象物理上表现为从喇叭尖端发出的湍流声流或射流[56]。假设喇叭与冰表面之间存在一定间隙。

超声除冰实验

本实验采用了一个工作频率为20 kHz的超声振动系统。该系统主要由一个喇叭和一个压电换能器组成，压电换能器固定在半自动压力机上，并由计算机主机驱动和控制。超声振动系统由超声发生器（细胞破坏器）提供动力。振幅杆的末端浸入装有冰水混合物的容器中，容器放置在一个垫块上，垫块安装在剪刀式升降机上。

空化气泡破裂的力学和数学模型仿真结果

在标准大气压下，液体的静水压力为P₀ = 101325 Pa。气体的绝热指数γ = 4/3。根据方程(17)、(22)，气体的多态指数计算约为1.4。颗粒与空化气泡中心的距离设置为r = 8 μm。频率和声源幅度是超声振动的主要参数。假设温度为0°C。

结论

本研究结合数学建模、仿真和实验，研究了频率、声功率和盐度对液体声传播介质中超声除冰效果的影响。得出以下结论：

基于双气泡空化的动力学建立了一个数学模型，研究了频率、声源幅度和盐度对空化气泡最大破裂压力和微射流压力的影响。结果表明：

CRediT作者贡献声明

宋石：撰写初稿、验证、监督、资源提供、方法论设计、数据分析、概念化。陶莉：软件开发。李春红：数据可视化。严鲁涛：项目管理和资金筹措。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究工作的财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢“国家自然科学基金”（项目编号：52275403）的支持。