工程声学/声流

定义

声流是指流体中由振荡声波引起的稳定时间平均质量通量密度或速度。 流体中大振幅声传播可能导致流体稳定运动。这种非线性现象被称为声流，理论上可以通过流体流动控制方程中的二次对流项来描述。

应用

声流可以有效地增强对流换热，超声清洗污染表面，局部微混合，开发微执行器，如用于微粒的微操纵器和用于液体的微泵。工程声学/声学微型泵

不同类型的声流

存在几种对声流进行分类的方法。

声流的第一种分类是基于产生声流的机制。

1. 边界层驱动声流：由边界上的粘性应力驱动的流动，由固体和流体之间的边界层效应引起。边界层驱动声流包括两种始终同时发生的声流类型：外部边界层声流和内部边界层声流。
   1. 外部边界层声流：瑞利分析了平行板之间存在驻波时的声流，并解释了空气运动是由非线性二阶效应引起的。瑞利专注于边界层外的平均流动研究，他的方法自那时起成为声流研究的分析工具。
   2. 内部边界层声流：内部边界层声流的研究是由施利希廷完成的，他研究了不可压缩振荡流体流过平板，并计算了边界层内的二维声流场。图 1 显示了通道中的内部和外部声流。这种单元的长度是波长的四分之一。

      

      图 1：内部和外部声流单元示意图

2. 射流驱动声流：通过孔或横截面变化周期性吸入和排出粘性流体。该机制依赖于粘性流体在吸入和排出期间的行为完全不同这一事实。在吸入期间，流动来自各个方向，而在排出期间，会产生射流。在图 2 中，显示了小管与开放空间之间的过渡处的流出和流入模式。这两种流出可以被视为广泛分布的振荡流和时间平均环形循环的叠加。

   

   图 2：流出和流入模式

3. Gedeon 声流：与行波相关，与之前示例中的驻波相反。在边界层和射流驱动声流中，没有净质量传输。在行波声流中，由于声速和密度的相位差，会发生非零净质量传输。斯特林热声发动机和冰箱中的行波声流称为 Gedeon 声流或直流流动。
4. 埃卡特声流：埃卡特声流或“石英风”是由流体中声能的耗散产生的。虽然埃卡特不是第一个观察到“石英风”的人，但他是在 1948 年首次对它进行数学分析的人。 最近的一篇论文给出了这种声流中观察到的速度量级。

图 3 显示了 Gedeon、瑞利和射流驱动声流的示意图。

图 3：Gedeon、瑞利和射流驱动声流

第二种分类是基于声波长与诱导涡旋结构的特征长度的相对大小。

1. 精细尺度：对于内部边界层声流（施利希廷声流），边界层厚度等于涡旋的宽度。因此，它是精细尺度分类的一部分。
2. 可比尺度：对于外部边界层声流（瑞利声流）和射流驱动声流，波长和涡旋大小是可比的。
3. 大尺度：埃卡特声流属于大尺度分类，因为涡旋长度尺度超过了声波长。

第三种分类是基于声流速度的大小。

1. 慢声流：慢声流是指声流速度远小于流体速度的大小。事实上，声流可以用一个合适的雷诺数 Re_NL 来表征，该雷诺数比较惯性和粘性，并决定声流速度场被扭曲的程度。Re_NL<<1 的情况对应于慢声流。
2. 快声流：快声流是指声流速度和流体速度大小相同。Re_NL>>1 的情况被称为快声流或非线性声流。大多数类型的声流是慢的，只有射流驱动声流被认为是快的。

声流速度的轴向和横向分量

这里，我们展示了从线性波动方程的解析解中得到的外部边界层流速特性。线性情况下声速场轴向分量的振幅为：

$(1)\ u=u_{max}sin(2\pi x/\lambda )$

其中 u_max=P₀/ρ₀c₀。流速场的轴向分量 (u_st) 和横向分量 (v_st) 为：

$(2)\ u_{st}={\frac {3}{8}}{\frac {u_{max}^{2}}{c}}(1-{\frac {2y^{2}}{(H/2)^{2}}})sin(\pi x/l)$

$(3)\ v_{st}=-{\frac {3}{8}}{\frac {u_{max}^{2}}{c}}{\frac {2\pi y}{\lambda }}(1-{\frac {2y^{2}}{(H/2)^{2}}})cos(\pi x/l)$

其中 (-H/2<y<H/2)，H 是管子的高度，l=λ/4