超声干式清洗技术的理论研究与应用

摘要

超声干式清洗技术是一项新型的干式清洗技术，通过高速气流与超声波共同作用进行表面粉尘微粒的去除。超声干式清洗系统无需附加额外的冷却和烘干装置，也不需要诸如高纯度气体或化学溶剂等高成本的耗材。本论文从超声干式清洗区表面粘附微粒的再悬浮和超声清洗头变截面空气流道内的空腔流激振荡发声机理两方面进行理论研究，为微粒再悬浮的预测和改善提供了系统的理论依据。本论文主要研究工作和结论如下:
　　(1)从气动声学的角度出发，初步分析了矩形空腔流激振荡发声的机理，讨论了层流边界层厚度对基板表面粘附微粒的影响。以超声干式清洗区表面粘附微粒为研究对象，基于JKR模型基本理论和力矩平衡原理，结合流场、声场产生的作用力效果，在超声干式清洗区建立了表面粘附微粒的受力模型和再悬浮模型。
　　(2)利用MATLAB软件，分析了微粒半径、气流平均速度、超声频率和声压级等因素对微粒所受力矩和再悬浮的影响。结果表明，声辐射力力矩的数量级远小于曳力力矩和举力力矩，对微粒再悬浮的影响近乎可以忽略。微粒所受再悬浮力矩和沉降力矩的比值Mr/Mf随着微粒半径的增大而增大，也随着气流平均速度的增大而增大。尺寸越小的微粒越不容易发生再悬浮，为了打破微粒静力平衡则需要更大的气流速度。针对半径为0.1～0.5μm的微粒，给出了微粒在即将发生再悬浮的临界状态下所需的气流平均速度。
　　(3)以超声清洗头内的变截面空气流道为研究对象，应用CFD技术与气动声学理论，对空腔流激振荡的流场与声场特性进行了研究，得到以下结论。变截面空气流道的腔内形成了占据大部分空腔位置的大涡，腔内气流的流向近似平行于空腔某一对角面。气流在从腔口前缘流至后缘的过程中实现了加速。流道出口中心气流速度在短暂地振荡上升之后趋于稳定。变截面空气流道内数组空腔的结构排布增大了出口中心的气流速度。腔内存在周期性的流激振荡，振荡主要以一阶和二阶模态为主，频率分别为1.01kHz和12.83kHz，腔内声能主要集中在一阶模态。超声波的声压级峰值出现在约为25.3kHz频率下，峰值最高可达近95dB。流道中心与腔口前缘的交汇区域是主声源区，主超声声源更靠近流道中心与腔口中部的交汇区域，声波主要向右下方辐射。空腔流激振荡发声的主要原因是腔口与流道中心的交汇处形成了具有一定脱落频率的涡，该涡以一定的速度不断向下游发展并与空腔后壁相撞产生声波，声波回传至腔口前缘时激发剪切层产生新的脱落涡。
　　(4)分析了入口气流速度、空腔长深比、空腔组数以及空腔腔形四种因素对流道出口气流速度和空腔流激振荡声学特性的影响，得到以下结论。入口速度的增大有利于出口速度的提高。空腔长深比过大或过小时速度增长率较低，只有在合适的空腔长深比下出口速度的增幅较为明显。增加空腔组数可以有效提高出口的气流速度。梯形腔和角形腔对出口流速的提升不大，弧形腔的出口速度最高。随着入口速度的增大，空腔流激振荡频率升高，声压级和声能峰值增大。空腔长深比在很大程度上影响了空腔流激振荡特性，适当长深比的选择将使空腔流激振荡现象更容易发生。随着空腔组数的增加，声压级明显增大，振荡频率增加。角形腔的声能峰值最不明显，梯形腔只有一个明显的能量峰值，且峰值能量不高。弧形腔声压级最大，最高声压级峰值可达近130dB，在超声频域范围其五阶、六阶模态的声压级峰值也超过了100dB，可见弧形腔内的流激振荡回路最明显。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题来源

1．2 研究的背景及意义

1．3．1 传统清洗技术的研究综述

1．3．2 超声干式清洗的研究综述

1．3．3 空腔流激振荡的研究综述

1．3．4 微粒粘附的研究综述

1．4 本文研究内容

2 超声干式清洗系统及清洗机理

2．1 超声干式清洗系统

2．1．1 空气循环系统

2．1．2 超声清洗头

2．1．3 基板传送系统

2．2 超声干式清洗机理

2．2．1 空腔流激振荡发声机理

2．2．2 超声干式清洗区的边界层特性

2．3 本章小结

3 超声干式清洗区表面粘附微粒的动力学模型

3．1 表面粘附微粒的受力模型

3．1．1 重力

3．1．2 粘附力

3．1．3 曳力

3．1．4 举力

3．1．5 声辐射力

3．2 表面粘附微粒的再悬浮模型

3．3 本章小结

4 表面粘附微粒再悬浮的影响因素研究

4．1 控制方程及初始条件

4．2．1 重力力矩

4．2．2 粘附力力矩

4．2．3 曳力力矩

4．2．4 举力力矩

4．2．5 声辐射力力矩

4．3 微粒再悬浮的影响因素分析

4．3．1 微粒半径对微粒再悬浮的影响

4．3．2 气流平均速度对微粒再悬浮的影响

4．3．3 微粒再悬浮的控制

4．4 本章小结

5 变截面空气流道内空腔流激振荡发声的仿真研究

5．1．2 声比拟(FW-H)方程

5．2 计算模型和边界条件

5．3．1 空腔流激振荡的流线型

5．3．2 空腔流激振荡的速度和压强分布

5．3．3 变截面空气流道出口的气流速度

5．3．4 空腔流激振荡的声学特性

5．3．5 空腔流激振荡的瞬时涡量

5．4 流道出口气流速度的影响因素分析

5．4．1 入口气流速度对出口气流速度的影响

5．4．2 空腔长深比对出口气流速度的影响

5．4．3 空腔组数对出口气流速度的影响

5．5 空腔流激振荡声学特性的影响因素分析

5．5．2 空腔长深比对腔内声学特性的影响

5．5．3 空腔组数对腔内声学特性的影响

5．5．4 空腔腔形对腔内声学特性的影响

5．6 本章小结

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及所取得的研究成果

致谢