● 摘要
圆柱形扩散体在超声化学反应器中的应用研究
张 虎
摘要 自声化学这门新兴的交叉学科于20世纪80年代诞生以来，在短短的二十多年里已有了飞速的发展。正因为超声波不仅可以改善反应条件，加快反应速度和提高反应产率，还可以使一些难以进行的化学反应得以实现，并且具有低能耗、少污染或无污染、设备简单等独特的优点，所以已被广泛地应用于化学、医学、食品工业、工业焊接、废水处理等许多领域。
实现声化学反应，进行声化学研究的重要场所就是声化学反应器，它与一般的化学反应器的主要区别在于引入超声波并使之作用于化学反应。其结构大体上分为反应溶液的空间以及换能器两部分，而依照反应液体体系的不同要求及其基本结构原理又可分为液哨式、清洗槽式、变幅杆浸入式、杯式等不同的声化学反应器。由于声化学是声能量与物质间的一种独特的相互作用，所以其反应的机制和主动力尚不明确。目前科研学者形成比较统一的观点就是：声化学反应的主要机制和主动力是声空化。而声空化现象又涉及到诸如液体、气泡、声场以及环境等多方面条件因素。当反应溶液的物理、化学条件都一定时，声化学反应器内声场强度及其分布越均匀，其化学反应产率就越高。因此，研究声化学反应器中声场以及空化场的性质，对确定最佳反应条件、提高声化学产率、促进声化学从实验室规模向工业过渡至关重要。
基于此，本文作者研究了圆柱形扩散体对改善清洗槽式声化学反应器内声场的作用。首先结合镜像原理分析了清洗槽式声化学反应器内组合圆形活塞声源的辐射声场，然后又在引入准平面波的基础上研究了反应器内置入圆柱形扩散体后的辐射声场，最后实验研究了扩散体对反应器内声场的影响。
论文的主要研究内容及结论如下：
1、对单个圆形活塞声源的辐射声场特性进行了分析，并结合镜像原理推导出了清洗槽式声化学反应器内组合圆形活塞声源的辐射声场，得出了其远场辐射声压幅值与 和 有关，与距离r成反比，说明用镜像原理得出的辐射声场更能真实地反映声化学反应器内声场的分布。
2、对准平面波入射时，反应器内置入圆柱形扩散体后的辐射声场进行了理论研究，知道圆柱形扩散体对改善反应器内的驻波特性使其均匀有一定的效果。
3、设计并制作了简易水听器，分析和测试了水听器的各项性能。
4、用水听器法和染色法测量了反应器内的声场分布。结果表明，反应器内液面水平方向上的声压分布比较均匀，而液面垂直方向上的声压由底部到液面呈起伏变化，显示了驻波特性，总体上有逐渐减小的趋势，这说明了声波在传播过程中有一定的衰减。而放入扩散体后，有的扩散体对驻波特性有了一定的改善，但还有的其改善效果就不是很明显。在同一频率下，半径相对较小的扩散效果较好；而对同一半径的扩散体，频率越低扩散效果越好。最后实验测量的电压分布和理论分析的声压分布结果比较一致。
关键词：声化学反应器 镜像原理 声场分布 圆柱形扩散体 水听器 均匀性