0Cr17Ni4Cu4Nb不锈钢早期损伤非线性驻波法检测

针对非线性超声纵波检测中信号幅值较低、二次谐波不易被有效激发且易受干扰的问题,提出非线性驻波检测方法。分别对0Cr17Ni4Cu4Nb马氏体不锈钢拉伸试件进行非线性超声纵波法和非线性驻波法检测,检测结果表明,相比于非线性超声纵波法,非线性驻波法能够提升信号幅值,有效激发材料内部由于非线性相互作用产生的二次谐波,提高超声信号的信噪比和频谱的频率分辨率,且试验结果与有限元仿真结果基本一致。对0Cr17Ni4Cu4Nb马氏体不锈钢三点弯曲疲劳试件进行非线性驻波检测,在疲劳寿命50%以前,不同疲劳应力下归一化超声非线性系数均随疲劳寿命增加而增大。因此,非线性驻波法能够更好的检测0Cr17Ni4Cu4Nb不锈钢早期损伤。

圆柱形谐振管内非线性驻波的有限体积计算方法

提出一种用于求解圆柱形谐振管内非线性驻波的有限体积计算方法。谐振管内初始为自由状态的流体被整体谐振激励,当激励频率与谐振管内声场固有频率一致时,谐振管内将产生非线性驻波。建立整体振动条件下谐振管内瞬态可压缩热粘性牛顿流体的一维Navier-Stokes模型方程的积分方程;在时域上,通过SIMPLEC方法(以压力为基础的有限体积法)和交错网格技术推导出离散化代数方程组,并进行求解。当谐振管内的流体为R-12气体,在整体振动的条件下,利用提出的方法对谐振管内的非线性驻波进行求解,通过与现有文献中伽辽金方法的计算结果进行对比,所得到的非线性驻波声压在波形和幅值方面都与这些结果非常吻合,从而验证了该方法的可行性。得到谐振管左端处的绝对压力波形、温度波形和声压频谱响应等物理特性分布;同时得到谐振管内不同位置处的速度变化,发现在谐振管两端出现了速度钉状波形;有限体积计算方法为解决强声密封的非线性驻波的数值计算奠定了良好基础。

谐振管内非线性驻波的间断Galerkin方法

基于伪一维瞬态可压缩Navier-Stokes方程和理想气体状态方程,并结合保持强稳定性的三阶Runge-Kutta格式和斜率限制器技术,构建一种整体轴向谐振激励下求解变截面谐振管内非线性驻波的间断Galerkin方法。分别对直圆柱形、指数形以及圆锥形谐振管内的非线性驻波进行数值仿真计算,通过与现有数值仿真结果对比,验证了本方法的正确性,并重现了已有试验中非线性驻波压力波形中的第二峰值。在直圆柱形和指数形谐振管内研究间断Galerkin方法的两种网格加密方式对于不同形状下谐振管内非线性驻波仿真计算的数值精度、消除数值振荡和准确捕捉激波的不同作用,以及不同CFL数对于数值精度的影响。在指数形谐振管内,通过与有限体积法不同网格数目下的数值仿真结果和计算时间对比,验证了本方法具有耗时短、效率高以及计算精度高的优点。在圆锥形谐振管内,研究不同流速下谐振管内压力和速度波形的变化,并发现随着流速的增加,谐振管小端处的压力幅值增加,大端处速度幅值也随之增加且速度波形中会产生激波。通过间断Galerkin方法分析研究几种谐振管内非线性驻波的各种物理属性,为谐振管形状优化提供了重要参考,也为实现谐振管内非线性驻波的工程应用奠定了良好的基础。

谐振管内非线性驻波的二维间断Galerkin计算方法

基于柱坐标下的二维瞬态可压缩Navier-Stokes方程、理想气体状态方程以及保强稳定的Runge-Kutta方法,提出了求解谐振管内非线性驻波的二维间断Galerkin计算方法。通过处理边界条件以及采取局部时间步长,利用所提出的二维间断Galerkin计算方法对圆柱形谐振管内非线性驻波进行求解,得到了谐振管内压力空间分布以及压力波形、速度波形、密度波形等物理特性,证明时间域、空间域内均产生激波,从而使压力幅值和密度幅值无法进一步提升;同时研究了激励加速度幅值对谐振管内非线性驻波压力波形及非稳态进程的影响。

谐振管内非线性驻波的二维有限差分计算方法

谐振管内非线性驻波的数值计算方法是目前强声密封研究的关键技术。基于三个气体动力学方程推导得出一个关于无旋可压缩牛顿流体的非线性波动方程,并通过对非线性波动方程进行有限差分离散化处理,提出求解谐振管内非线性驻波的二维有限差分计算方法。通过边界条件的处理,使所推导的二维有限差分计算方法能够在整体谐振激励作用下计算谐振管内非线性驻波。在圆柱形谐振管内部填充Refrigerant-12作为工作媒质以及整体谐振激励的条件下,利用所提出的二维有限差分计算方法对圆柱形谐振管内的非线性驻波进行求解,并得到圆柱形谐振管内绝对压力波形、声压频谱响应以及谐振管内的声压空间分布。通过与现有仿真方法的计算结果和现有试验结果进行对比,所得到的计算结果无论从波形还是数值上都能与这些结果吻合,从而验证了该方法的可行性。该方法为强声密封的非线性驻波计算研究奠定了良好基础。

非线性驻波场的实现及其稳定性研究

本文探究了影响非线性驻波声场稳定性的因素,引入反映声场束缚能力的物理量——势阱深度,直观形象地反映了声场稳定性,将提高声场稳定性的问题转化为提高声场中最大声压振幅的问题,并进一步,将理论应用于非线性驻波场的声悬浮装置,探究其发射面与反射面之间距离与声场最大声压振幅的关系。理论上得到了声场稳定性显著提高时发射面与反射面之间的距离,并实验检验了其合理性。最后,基于对物体在声悬浮装置中稳定性的实现,制作出了可以对悬浮物进行显微观察的声悬浮显微镜。

谐振管内非线性驻波的有限体积数值算法

为了扩展谐振管内非线性驻波在工程中的应用,以及克服现有数值计算方法仅局限于求解直圆柱形和指数形谐振管内非线性驻波的问题.根据变截面的非稳态可压缩热黏性流体Navier-Stokes方程和空间守恒方程,并基于求解压力速度耦合方程的半隐式算法和交错网格技术,构建一种能够计算任意形状轴对称谐振管受活塞驱动时内部非线性驻波的有限体积算法.分别对圆柱形、指数形和圆锥形谐振管内的非线性驻波进行仿真计算.通过与现有试验结果以及数值仿真结果的对比,验证了该方法的正确性.并获得除驻波声压之外的另外一些新的物理结果,包括速度、密度、温度的瞬时变化.在直圆柱形谐振管内产生冲击声压波,速度波形中出现钉状结构.而在指数形和圆锥形谐振管内产生高声压幅值的驻波,没有出现冲击波,速度波形中均未发现钉状结构.计算结果表明谐振管内非线性驻波的物理属性与谐振管形状之间有密切关系.

液体空间内的非线性驻波

从流体力学基本方程出发,推导了介质中的波动方程,并结合液体介质在声传播过程中的边界条件特征,考虑非线性驻波的物理特性,利用微扰法导出了非线性驻波的基波和二次谐波的稳定表达式.利用水听器测量超声清洗槽内声压,探讨水听器接收电压随超声波发生器输出电压间的关系,证明了槽内声波非线性效应的存在,又根据水听器接收信号的频谱分析,证明了基波和二次谐波以及高次谐波共存于有界空间的液体中.理论和实验结果共同证明非线性驻波的存在.由于微扰法理论本身适用性的限制,我们得到的基波和二次谐波结果只适用于弱非线性驻波.

非线性驻波的研究

提出了由两个相反方向光同时在三阶非线性介质中传输而引起的非线性驻波的概念;导出了这种非线性驻波的功率分布、节距、驻波比以及单向非线性相移分布的解析表达式,并进行了仿真计算。结果表明,当非线性较弱时,驻波的功率分布仍然呈余弦形式,但将出现节距随功率增大而变小的节距调制效应,并正比于最大和最小折射率的几何平均值。当非线性较强时,不仅存在节距调制效应,而且还出现功率分布函数曲线从余弦形式过渡到周期性尖脉冲形式的驻波波形调制效应。其非线性相移不再与距离成正比,变成一条周期性的单增曲线。对于非线性介质谐振腔的激光器、选频放大器、多波长激光器以及其他非线性光学器件的研究,具有重要的意义。

变截面谐振管内驻波非线性研究

基于整体轴向谐振激励下求解变截面谐振管内非线性驻波的间断Galerkin方法,研究了圆锥形谐振管内非线性驻波稳态时的瞬态特性。在圆锥形谐振管中,能够获取到无冲击的非线性驻波,验证了本方法计算圆锥形谐振管内非线性驻波的正确性,并通过提高局部逼近阶N,改善了压力波形两端的数值振荡;研究了加速度幅值a0、频率f、初始压力P0对非线性驻波压力波形和谐振管内流体流速的影响,为实现谐振管内非线性驻波应用于强声密封提供了有益思考。

容器形状对液体内声波的影响

在考虑液体介质的黏热性以及非线性的基础上,结合容器形状对液体传声特性的影响,推导并得到了包含容器形状因素在内的一维声传播方程,同时利用频域展开和数值分析方法,探讨了不同形状容器中介质内声场分布.设容器具有轴对称性,其形状有圆柱、锥状和指数形.数值计算结果表明,在同样的声激励条件下,容器形状影响介质内声压幅值大小和分布,而声源位于指数形容器大端时影响更为明显.不同形状的容器中液体内的声波均具有非线性驻波特征.