连续式声化学反应器中棉纤维素残渣回收的数值模拟与优化研究

为解决声化学反应器设计及反应参数优化问题，研究人员通过数值模拟研究了配备六侧向换能器和底部HIFU换能器的连续式声化学反应器，分析了几何参数（h、b）、频率（f）及纤维素溶液性质（μ、ρ）对空化活性的影响。结果表明，在78 kHz、h=0.075 m条件下，空化压力（pT ）和活性空化面积（V）分别达到1.96×106 Pa和3.99×10?2 m2 ，为纤维素处理工艺优化提供了理论依据。

　　

在化学工程领域，过程强化（PI）技术正通过创新方法显著提升能源效率和可持续性，其中超声波（US）技术因其独特的物理化学效应备受关注。然而，声化学反应器的设计优化仍面临挑战，尤其是多换能器协同作用与复杂流体（如纤维素溶液）中空化行为的量化问题。现有研究多聚焦单一频率或简化模型，缺乏对连续式反应器中声场分布与空化活性关联的系统分析。为此，研究人员开展了一项突破性研究，通过耦合数值模拟与实验测量，揭示了多频声场协同作用机制，相关成果发表于《Ultrasonics Sonochemistry》。

研究采用COMSOL Multiphysics软件建立二维模型，结合修正的Helmholtz方程和气泡阻尼效应，模拟六侧向换能器（340 W，38-82 kHz）与HIFU换能器（390 kHz）的声场分布。首次实测纤维素酯溶液的声速（1545 m/s，6.25 g/L），并设计两阶段实验：DOE1分析几何参数（h、b）和频率影响，DOE2考察溶液性质（μ、ρ）的作用。通过Bootstrap森林算法筛选关键变量，建立线性回归模型。

几何参数与频率效应
模拟显示，频率（f）和反射器间距（h）分别解释60.6%和34.3%的声压（p_T
）变异。78 kHz时，h=0.075 m使p_T
达1.96×10⁶
Pa，较h=0.077 m提升76%，因缩短声程降低衰减。锥形口半径（b）影响微弱（<5%），验证了波长匹配设计的必要性。

流体性质调控
低粘度（5.3×10^-3
Pa.s）和高密度（941.8 kg/m³
）溶液在78 kHz下空化活性最佳，V达3.99×10^?2
m²
。粘度增加23.3×10^-3
Pa.s时，p_T
下降75%，揭示流体阻力对空化的抑制作用。

讨论与意义
该研究首次实现纤维素溶液声学特性的实验集成建模，为工业级声反应器设计提供量化工具。发现高频（78 kHz）与紧凑几何（h=0.075 m）的协同效应，突破传统低频主导的认知局限。未来可扩展至非线性声场模拟和动态气泡分布研究，推动生物质转化工艺的绿色升级。