超聲干式清洗技術的理論研究與應用.pdf

1、超聲干式清洗技術是一項新型的干式清洗技術，通過高速氣流與超聲波共同作用進行表面粉塵微粒的去除。超聲干式清洗系統(tǒng)無需附加額外的冷卻和烘干裝置，也不需要諸如高純度氣體或化學溶劑等高成本的耗材。本論文從超聲干式清洗區(qū)表面粘附微粒的再懸浮和超聲清洗頭變截面空氣流道內(nèi)的空腔流激振蕩發(fā)聲機理兩方面進行理論研究，為微粒再懸浮的預測和改善提供了系統(tǒng)的理論依據(jù)。本論文主要研究工作和結(jié)論如下:
　　(1)從氣動聲學的角度出發(fā)，初步分析了矩形空腔流激振

2、蕩發(fā)聲的機理，討論了層流邊界層厚度對基板表面粘附微粒的影響。以超聲干式清洗區(qū)表面粘附微粒為研究對象，基于JKR模型基本理論和力矩平衡原理，結(jié)合流場、聲場產(chǎn)生的作用力效果，在超聲干式清洗區(qū)建立了表面粘附微粒的受力模型和再懸浮模型。
　　(2)利用MATLAB軟件，分析了微粒半徑、氣流平均速度、超聲頻率和聲壓級等因素對微粒所受力矩和再懸浮的影響。結(jié)果表明，聲輻射力力矩的數(shù)量級遠小于曳力力矩和舉力力矩，對微粒再懸浮的影響近乎可以忽略。微

3、粒所受再懸浮力矩和沉降力矩的比值Mr/Mf隨著微粒半徑的增大而增大，也隨著氣流平均速度的增大而增大。尺寸越小的微粒越不容易發(fā)生再懸浮，為了打破微粒靜力平衡則需要更大的氣流速度。針對半徑為0.1～0.5μm的微粒，給出了微粒在即將發(fā)生再懸浮的臨界狀態(tài)下所需的氣流平均速度。
　　(3)以超聲清洗頭內(nèi)的變截面空氣流道為研究對象，應用CFD技術與氣動聲學理論，對空腔流激振蕩的流場與聲場特性進行了研究，得到以下結(jié)論。變截面空氣流道的腔內(nèi)形成

4、了占據(jù)大部分空腔位置的大渦，腔內(nèi)氣流的流向近似平行于空腔某一對角面。氣流在從腔口前緣流至后緣的過程中實現(xiàn)了加速。流道出口中心氣流速度在短暫地振蕩上升之后趨于穩(wěn)定。變截面空氣流道內(nèi)數(shù)組空腔的結(jié)構排布增大了出口中心的氣流速度。腔內(nèi)存在周期性的流激振蕩，振蕩主要以一階和二階模態(tài)為主，頻率分別為1.01kHz和12.83kHz，腔內(nèi)聲能主要集中在一階模態(tài)。超聲波的聲壓級峰值出現(xiàn)在約為25.3kHz頻率下，峰值最高可達近95dB。流道中心與腔口前

5、緣的交匯區(qū)域是主聲源區(qū)，主超聲聲源更靠近流道中心與腔口中部的交匯區(qū)域，聲波主要向右下方輻射。空腔流激振蕩發(fā)聲的主要原因是腔口與流道中心的交匯處形成了具有一定脫落頻率的渦，該渦以一定的速度不斷向下游發(fā)展并與空腔后壁相撞產(chǎn)生聲波，聲波回傳至腔口前緣時激發(fā)剪切層產(chǎn)生新的脫落渦。
　　(4)分析了入口氣流速度、空腔長深比、空腔組數(shù)以及空腔腔形四種因素對流道出口氣流速度和空腔流激振蕩聲學特性的影響，得到以下結(jié)論。入口速度的增大有利于出口速度

6、的提高。空腔長深比過大或過小時速度增長率較低，只有在合適的空腔長深比下出口速度的增幅較為明顯。增加空腔組數(shù)可以有效提高出口的氣流速度。梯形腔和角形腔對出口流速的提升不大，弧形腔的出口速度最高。隨著入口速度的增大，空腔流激振蕩頻率升高，聲壓級和聲能峰值增大。空腔長深比在很大程度上影響了空腔流激振蕩特性，適當長深比的選擇將使空腔流激振蕩現(xiàn)象更容易發(fā)生。隨著空腔組數(shù)的增加，聲壓級明顯增大，振蕩頻率增加。角形腔的聲能峰值最不明顯，梯形腔只有一個