一种利用声流体效应操控悬浮颗粒快速沉降的装置及方法

1.本发明涉及一种颗粒沉降装置及方法，具体涉及一种利用声流体效应操控悬浮颗粒快速沉降的装置及方法。


背景技术：

2.沉降，即悬浮在流体中的颗粒在力的作用下下沉的过程。最经典的沉降类型是重力沉降，即液体中的悬浮粒子在重力作用下下沉，它存在于自然界每一个包含悬浮颗粒的系统。沉降液体中的悬浮颗粒，在生物、化学、环境和工业工程等领域有着广泛的应用，如水质处理，生物传感等，近年也吸引了越来越多的注意。已有的颗粒沉降方法主要包括离心法、超声法等。其中离心沉降通常对工作环境有比较苛刻的要求，如比较依赖复杂的离心芯片以及离心泵等等。已有的超声沉降技术主要是利用多波长驻波场内的声辐射力将悬浮颗粒驱动至声压节点并缓慢聚集成团，颗粒团尺寸的增大会提升重力沉降的效果，进而也可以加快颗粒沉降速率。该超声波增强沉降可以简单地描述为捕获-沉降(或捕获-释放)过程，其中超声波主要是将颗粒捕获成簇以增强重力效应。然而已有的超声沉降技术在沉降过程中并不能对加快沉降起到重要的促进作用。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种利用声流体效应操控悬浮颗粒快速沉降的装置，所述装置可以促使液体中的颗粒快速沉降，且该装置具有结构简单、使用便捷的优点。
4.本发明的第二个目的在于公开一种利用声流体效应操控悬浮颗粒快速沉降的方法。
5.本发明解决上述技术问题的技术方案是：
6.一种利用声流体效应操控悬浮颗粒快速沉降的装置，包括流体输送管道以及设置在流体输送管道的外壁上的超声波发生装置，其中，所述流体输送管道为三角形腔道截面，所述超声波发生装置设置在所述流体输送管道的至少一个外壁上；所述超声波发生装置在所述流体输送管道内形成(1，0)基础谐振模态，以此产生指向所述流体输送管道的底部的声辐射力和声学流，从而带动流体中的悬浮颗粒向该流体输送管道的底壁流动。
7.优选的，所述流体输送管道为等边三角形腔道截面。
8.优选的，所述流体输送管道为玻璃毛细管。
9.优选的，所述超声波发生装置包括信号发生器以及超声波换能器，其中，所述信号发生器的输出端与所述超声波换能器的输入端连接，所述超声换能器设置在所述流体输送管道的外壁上，用于对流体输送管道进行励振，使得该流体输送管道发生谐振。
10.优选的，所述超声波换能器为两组，两组设置在所述流体输送管道的两侧外壁上。
11.优选的，所述超声波换能器为一组，且设置在所述流体输送管道的底壁外侧。
12.优选的，所述超声波换能器为压电陶瓷换能器。
13.优选的，所述压电陶瓷换能器的励振频率为所述三角形腔道截面(1，0)模态的共振频率。
14.一种利用声流体效应操控悬浮颗粒快速沉降的方法，将超声波发生装置安装在流体输送管道的外侧壁上；然后将待分离的液体输送到流体输送管道内，同时启动超声波发生装置；超声波发生装置在流体输送管道内形成(1，0)基础谐振模态，以此产生指向流体输送管道的底部的声辐射力和声学流，从而持续带动流体中的悬浮颗粒向该流体输送管道的底壁流动，进而加速沉降液体中的悬浮颗粒。
15.与现有技术相比具有以下的有益效果：
16.1、本发明的利用声流体效应操控悬浮颗粒快速沉降的装置和方法利用超声波发生装置在流体输送管道内形成(1，0)基础谐振模态，以此产生指向流体输送管道的底部的声辐射力和声学流，从而持续带动流体中的悬浮颗粒向该流体输送管道的底壁流动，进而加速沉降液体中的悬浮颗粒；相对于现有的超声波增强沉降技术而言，沉降效果更好。
17.2、本发明的利用声流体效应操控悬浮颗粒快速沉降的装置可以促使液体中的颗粒快速沉降，且具有结构简单、使用便捷的优点。
附图说明
18.图1为本发明的利用声流体效应操控悬浮颗粒快速沉降的装置的结构示意图，其中，1：信号发生器；2：压电陶瓷换能器；3：玻璃毛细管；4：悬浮颗粒。
19.图2为颗粒在等边三角形腔道中的沉降示意图，其中，图(a)和图(b)为超声波换能器开启和关闭时，玻璃毛细管流体通道内10μm球形聚苯乙烯颗粒的图像；图(c)为图(b)标注部分(即方框内)的局部放大图；图(d)为0s、1s、2s和4s时刻的颗粒沉降过程的示意图。
20.图3为等边三角形腔道的横截面声流场的数值模拟示意图，其中，图(a)为二维模型示意图；图(b)为目标声场的声压示意图，纵坐标的单位为(pa)；图(c)为声辐射力的分布示意图，纵坐标的单位为(n)；图(d)为声流分布示意图，纵坐标的单位为(m/s)；图(e)为聚苯乙烯颗粒的沉降路径示意图，纵坐标的单位为(m/s)；图(f)为10μm聚苯乙烯颗粒在x＝0线上的受力曲线图，其中，图(f)中的fr，fd和fg分别代表声辐射力，声流粘滞力和重力。
21.图4为在等边三角形腔道截面和矩形腔道截面中的颗粒的受力图，其中，fr，fd和fg分别代表声辐射力，声流粘滞力和重力；虚线表示流体输送通道的一半高度。
具体实施方式
22.下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
23.参见图1，本发明的利用声流体效应操控悬浮颗粒快速沉降的装置包括流体输送管道以及设置在流体输送管道的外壁上的超声波发生装置，其中，所述流体输送管道为三角形腔道截面，所述超声波发生装置设置在所述流体输送管道的至少一个外壁上；所述超声波发生装置包括信号发生器以及超声波换能器，其中，所述信号发生器的输出端与所述超声波换能器的输入端连接，所述超声换能器设置在所述流体输送管道的外壁上，用于在所述流体输送管道内形成(1，0)基础谐振模态，以此产生指向所述流体输送管道的底部的声辐射力和声学流，从而带动流体中的悬浮颗粒向该流体输送管道的底壁流动。
24.在本实施例中，所述流体输送管道为玻璃毛细管，且该流体输送管道为等边三角形腔道截面。
25.参见图1，所述超声波换能器设置在所述流体输送管道的底壁外侧，除此之外，所述超声波换能器也可以设置两组，两组设置在所述流体输送管道的两侧外壁上；在本实施例中，所述超声波换能器为压电陶瓷换能器；所述压电陶瓷换能器的励振频率为所述三角形腔道截面(1，0)模态的共振频率。
26.参见图1-图3，以下以具体案例来验证本发明的利用声流体效应操控悬浮颗粒快速沉降的方法的沉降效果。
27.本实施例中的实验装置结构如图1所示，采用的压电陶瓷换能器的外形尺寸：长x宽x高为15mmx1.4mmx2mm,谐振频率为1mhz；等边三角形腔道截面的玻璃毛细管的尺寸：长度为50mm,截面外边长为2mm，内边长为1mm；信号发生器产生所需超声信号，通过超声换能器对玻璃毛细管进行励振；压电陶瓷换能器通过ab胶与玻璃毛细管外壁联接；玻璃毛细管的出入口均用塑料管道相连接(未在说明书附图中画出)，用于输入和导出液体；本次实验采用显微镜进行观察具体的颗粒的沉降效果。
28.本实施例中测试的颗粒是直径为10μm的球形聚苯乙烯颗粒，偏差为15％，并在蒸馏水中稀释。水-颗粒混合物通过50毫升注射泵引入玻璃毛细管，通过热收缩套管连接聚四氟乙烯管(内径1毫米)。根据现有的公式可以计算出在没有超声波的情况下，10μm的球形聚苯乙烯颗粒在重力作用下的末端沉降速度为2.0-3.8um/s(粒径在8.5-11.5um范围内)。同时经过测试，证明该计算结果与测试结果一致。测试结果表明，通过重力作用，玻璃毛细管中的所有球形聚苯乙烯颗粒平均需要7分钟才能沉降到底部。而使用本发明的装置和方法后，通过实验表明，在25vpp超声驱动下，管道中95％的悬浮颗粒可在30s内沉降至底壁，全部沉降所需时间为1分钟左右。若增加驱动电压或声压值，将进一步提升声辐射力和声流粘滞力(重力不变)，因此可进一步缩短沉降时间。
29.本次实验结果如图2所示，图(a)和图(b)为超声波换能器开启和关闭时，玻璃毛细管流体通道内10μm球形聚苯乙烯颗粒的图像，从中可以明显看出，在超声波换能器开启后，颗粒的沉降速度明显加快；图(c)为图(b)中方框内的局部放大图；图(d)为0s、1s、2s和4s时刻的颗粒沉降过程的示意图。
30.另外，本次实验还进行了建模仿真，得出结果如图3所示，从结果可以看出，悬浮颗粒在声辐射力和声流粘滞力的作用下，会快速聚集至管道中央(x＝0)并沉降至管道底部，汇聚至点(0,0)，即在管道方向聚集成一条线，与实验结果相吻合。图3(f)为声压强度为1mpa时的10μm球形聚苯乙烯颗粒的受力分布，可看出x＝0处指向通道底部的声辐射力和声流粘滞力远大于重力，因此相对于只靠重力沉降的方式而言，采用本发明的方法可以使得颗粒更快沉降。
31.图4给出了矩形腔道截面和等边三角形腔道截面上的力场的比较。可以看出，与矩形通道中的两步(即捕获-沉降)超声增强沉降技术相比，本发明的装置的主要优点在于：在等边三角形腔道截面中，位于上下两侧的球形聚苯乙烯颗粒受到声辐射力fr，声流粘滞力fd和重力fg，且三者的方向均竖直向下，从而确保颗粒的快速沉降。而在矩形腔道截面中，球形聚苯乙烯颗粒只是受到声流粘滞力fd和重力fg，虽然重力fg的方向竖直向下，但是位于上侧的球形聚苯乙烯颗粒受到的声流粘滞力fd的方向竖直向上，这样使得位于上侧的球形聚
苯乙烯颗粒的沉降速度减慢，而只有当球形聚苯乙烯颗粒沉降到流体输送管道一半高度以下时，球形聚苯乙烯颗粒受到的声流粘滞力fd才与重力fg的方向一致，即使如此，矩形腔道截面中的球形聚苯乙烯颗粒的沉降速度仍然小于等边三角形腔道截面内的沉降速度。
32.上述为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述内容的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种利用声流体效应操控悬浮颗粒快速沉降的装置，其特征在于，包括流体输送管道以及设置在流体输送管道的外壁上的超声波发生装置，其中，所述流体输送管道为三角形腔道截面，所述超声波发生装置设置在所述流体输送管道的至少一个外壁上；所述超声波发生装置在所述流体输送管道内形成(1，0)的基础谐振模态，以此产生指向所述流体输送管道的底部的声辐射力和声学流，从而带动流体中的悬浮颗粒向该流体输送管道的底壁流动。2.根据权利要求1所述的利用声流体效应操控悬浮颗粒快速沉降的装置，其特征在于，所述流体输送管道为等边三角形腔道截面。3.根据权利要求1或2所述的利用声流体效应操控悬浮颗粒快速沉降的装置，其特征在于，所述流体输送管道为玻璃毛细管。4.根据权利要求1所述的利用声流体效应操控悬浮颗粒快速沉降的装置，其特征在于，所述超声波发生装置包括信号发生器以及超声波换能器，其中，所述信号发生器的输出端与所述超声波换能器的输入端连接，所述超声换能器设置在所述流体输送管道的外壁上，用于对流体输送管道进行励振，使得该流体输送管道发生谐振。5.根据权利要求4所述的利用声流体效应操控悬浮颗粒快速沉降的装置，其特征在于，所述超声波换能器为两组，两组设置在所述流体输送管道的两侧外壁上。6.根据权利要求4所述的利用声流体效应操控悬浮颗粒快速沉降的装置，其特征在于，所述超声波换能器为一组，且设置在所述流体输送管道的底壁外侧。7.根据权利要求4所述的利用声流体效应操控悬浮颗粒快速沉降的装置，其特征在于，所述超声波换能器为压电陶瓷换能器。8.根据权利要求7所述的利用声流体效应操控悬浮颗粒快速沉降的装置，其特征在于，所述压电陶瓷换能器的励振频率为三角形腔道截面(1，0)模态的共振频率。9.一种利用声流体效应操控悬浮颗粒快速沉降的方法，其特征在于，将超声波发生装置安装在流体输送管道的外侧壁上；然后将待分离的液体输送到流体输送管道内，同时启动超声波发生装置；超声波发生装置在流体输送管道内形成(1，0)基础谐振模态，以此产生指向流体输送管道的底部的声辐射力和声学流，从而持续带动流体中的悬浮颗粒向该流体输送管道的底壁流动，进而加速沉降液体中的悬浮颗粒。

技术总结
本发明公开了一种利用声流体效应操控悬浮颗粒快速沉降的装置及方法，其中，所述装置包括流体输送管道以及设置在流体输送管道的外壁上的超声波发生装置；所述流体输送管道为三角形腔道截面，所述超声波发生装置设置在所述流体输送管道的至少一个外壁上；所述超声波发生装置在所述流体输送管道内形成(1，0)基础谐振模态，以此产生指向所述流体输送管道的底部的声辐射力和声学流，从而持续带动流体中的悬浮颗粒向该流体输送管道的底壁流动，进而加速沉降液体中的悬浮颗粒。本发明的利用声流体效应操控悬浮颗粒快速沉降的装置及方法可以促使液体中的颗粒快速沉降，且其中的装置具有结构简单、使用便捷的优点。使用便捷的优点。使用便捷的优点。


技术研发人员：雷君君 郑高堃 程峰
受保护的技术使用者：广东工业大学
技术研发日：2023.05.09
技术公布日：2023/8/6