球状泡群内气泡的耦合振动

振动气泡形成辐射场影响其他气泡的运动, 故多气泡体系中气泡处于耦合振动状态. 本文在气泡群振动模型的基础上, 考虑气泡间耦合振动的影响, 得到了均匀球状泡群内振动气泡的动力学方程, 以此为基础分析了气泡的非线性声响应特征. 气泡间的耦合振动增加了系统对每个气泡的约束, 降低了气泡的自然共振频率, 增强了气泡的非线性声响应. 随着气泡数密度的增加, 振动气泡受到的抑制增强; 增加液体静压力同样可抑制泡群内气泡的振动, 且存在静压力敏感区(1–2 atm, 1 atm=1.01325×10⁵ Pa); 驱动声波对气泡振动影响很大, 随着声波频率的增加, 能够形成空化影响的气泡尺度范围变窄. 在同样的声条件、泡群尺寸以及气泡内外环境下, 初始半径小于5 μm 的气泡具有较强的声响应. 气泡耦合振动会削弱单个气泡的空化影响, 但可延长多气泡系统空化泡崩溃发生的时间间隔和增大作用范围, 整体空化效应增强.     

双泡耦合声空化动力学过程模拟

为了对双泡耦合的声空化过程进行模拟,本文从流体动力学控制方程和流体体积分数模型出发,在Fluent软件中构建双泡耦合超声空化三维有限元仿真模型,对超声波驱动下流体中双泡耦合声空化动力学过程进行数值模拟,并通过对空化气泡周围声场的变化进行分析研究双泡耦合声空化的非线性动力学特性.结果显示:在超声波驱动下,球形气泡先缓慢扩张,扩张到最大半径后迅速收缩直至溃灭;耦合双气泡间存在相互作用力,使得空化气泡的扩张受到抑制、气泡收缩时间增长;空化气泡在收缩阶段的能量转换能力增强,相比单气泡声空化,耦合双气泡溃灭时气泡内部的压强更大.本文分析结果将为超声空化泡群的动力学过程模拟提供参考.     

含混合气泡液体中声波共振传播的抑制效应

当声波在含气泡的液体中传播时会出现共振传播现象,即在气泡的共振频率附近声衰减和声速会显著地增大,这是声空化领域的一个重要现象.以往的研究一般假设液体中只存在单一种类的气泡,因此忽略了声波共振传播的某些重要信息.本文研究了含混合气泡液体中声波的共振传播,混合气泡是指液体中包含多种静态半径不同的气泡.结果显示:在这种系统中存在声波共振传播的抑制效应,即与含单一种类气泡的系统相比,在含混合气泡的系统中声波的共振衰减和共振声速会明显变小.对于两种气泡混合、多种气泡混合以及气泡满足某种连续分布的系统,研究了抑制效应的本质和主要特征,此外还探究了黏性和空化率等对抑制效应的影响.本文的研究结果是对该领域现有知识的必要补充.     

超声波声孔效应中气泡动力学的研究

在超声快速制取组织细胞病理切片的过程中，发现激励信号对切片制取效果有明显的影响.为了掌握超声激励信号对组织细胞的影响规律，达到快速制取病理切片的最佳状态，从气泡空化模型入手，通过改变激励信号频率、声压、气泡初始半径和液体黏滞系数等参量，研究了声孔效应中气泡动力学激励机制.数值计算表明：空化泡振动随激励声压增强而升高，随液体黏滞系数增强而减弱；一定频率范围内空化泡振动能保持在膨胀、收缩和振荡的稳定空化状态，存在空化泡稳态振动的最佳激励频率；一定初始半径能保证空化泡产生稳定的振动，存在空化泡稳态振动幅度最大的初始半径.实际操作中，在频率、声压、初始半径和黏滞系数综合作用的若干空化阈内，声孔效应使超声快速法制取细胞组织切片获得最佳效果. 关键词： 声孔效应 超声空化 气泡振动 稳态空化域     

硫酸中多气泡声致发光光谱

非线性声波方程与气泡脉动方程联立, 可以描述声空化云中的声场以及任何一个气泡的脉动过程,为数值计算空化场问题提供了理论框架.计算的声压分布变化可以用来计算单气泡动力学,了解任何位置处气泡发光过程以及气泡内气体温度和压强变化等. 对浓硫酸中氙气泡空化云的计算定性符合实验观测, 只有钠原子线谱的计算结果相比实验观测有些出入.     

光电倍增管在磷酸液声致发光实验中的应用

对不同厚度液体进行光强测量,深入探索空化气泡的运动,研究发光机理很有意义。用超声激励法在磷酸液体中实现多泡声致发光,研究不同共振频率下发光的特点。利用光电倍增管多次测量发光强度相互比较,结果是在液体厚度10 cm、驱动频率f=21.061kHz和f=20.316kHz时,周期性较好为50μs,液体通过漩涡集中气泡可以使更多气泡发光;在液体厚度3 mm、驱动频率f=17.91kHz和f=19kHz时,周期性很好为25μs;且光信号都较强。结论是磷酸中声致发光强度、周期与液体厚度、驱动频率密切相关。本文以磷酸液多泡声致发光实验研究为基础,从内部和外部原理来出发,详细介绍了光电倍增管在多泡声致发光光强测量中的实用,为今后研究者提供了一些经验。根据实验过程中遇到的一些实际问题提出了建议和改善意见。     

双泡模型共振频率的超声空化动力学研究

该研究旨在研究双泡模型的自然共振频率对超声空化的影响,通过理论计算研究了自然共振频率的影响因素,以及单频超声和双频超声与自然共振频率的关系。研究结果表明：气泡初始半径是影响自然共振频率的主要因素;低频驱动下的非线性波动程度会比高频的更加剧烈,当驱动频率等于气泡自然共振频率时,超声空化的效果更好;双频超声取气泡自然共振频率时超声空化效果远远优于单频超声驱动。该研究在超声医学和理解超声空化特性方面有着重要的意义。     

超声清洗过程环境压力对声空化效应的影响*

在不同深度条件下的水下构建物超声清洗中,声空化是重要的源动力之一。为探明水下环境压力对声空化的影响,本文基于数值计算的方法,通过对超声波作用下气泡动力学的研究,讨论了环境压力对空化泡溃灭时的气泡最大半径、释放能量以及溃灭功率等因素的影响。结果表明：空化泡最大半径与环境压力在一定范围内呈近似线性关系;随着环境压力增大,空化泡释放能量和溃灭功率均显著减小,且两者在变化趋势和变化幅度上几乎一致;当环境压力大于声压幅值时,空化泡的最大半径、内部压强、内部温度与释放能量均远低于空化发生在环境压力小于声压幅值时的情形。     

超声空化泡运动特性的研究进展

超声空化是一个极其复杂的物理现象,超声空化泡运动是影响超声空化效应的重要因素,研究超声空化泡的运动特性已受到学术界的极大重视。本文研究了近几年国内外学者基于超声作用下的空化泡运动特性的工作,从空化泡运动方程、数值模拟、实验研究等方面介绍了超声空化泡运动特性的研究进展。最后指出了研究中需解决的关键问题,同时对超声空化泡的研究趋势进行了展望。     

不同类型气泡组成的混合泡群声空化特性

声空化实验中经常观察到由许多空化气泡组成的各种泡群结构.本文利用气泡群及群内任一气泡的Rayleigh-Plesset方程并结合van der Waals型过程方程,研究了不同类型气泡组成的混合泡群中的气泡半径、泡内温度和群内压力脉冲变化规律,得到以下结果:相同尺寸相同气体气泡和相同尺寸不同气体气泡组成的两种泡群中气泡所含的不同气体对泡内温度有较明显的影响,但对气泡半径变化和群内压力脉冲峰值的影响较小;不同尺寸相同气体气泡和不同尺寸不同气体气泡组成的两种混合泡群中,随着大气泡数的增多,大小气泡内温度开始快速下降,之后大泡内温度逐渐趋近于纯大气泡组成泡群的泡内温度,小泡内温度逐渐趋近于许多大泡辐射作用下的单一小气泡泡内温度;气泡崩溃时产生的压力脉冲峰值,先急剧减小到拐点,之后平稳增加并逐渐趋近于纯氩气大气泡和纯氦气大气泡组成泡群内的压力脉冲峰值;群内大气泡数占比对泡群空化特性有重要影响,只有大气泡数占比达到一定值后泡群中才能出现不同尺寸气泡同时崩溃的现象.     

声致发光

对当前非线性声学界和物理学界的一个热门课题———单泡声致发光现象的研究，进行了系统的评述，并介绍了有关最新的进展和应用前景     

测量单泡声致发光中气泡R(t)曲线的前向Mie散射技术

光干涉原理和Mie理论计算结果表明,单泡声致发光中气泡前向Mie散射的振荡信号,主要是由于气泡的透射光束和表面反射光束之间光干涉产生的. 这些干涉波峰形成了测量气泡半径的空间标尺,标尺的单位长度δR由散射角θ,检测光波波长和流体光折射率确定,而每个波峰就是标尺的刻线,它们与该时刻的气泡半径大小一一对应. 在30°—50°散射角范围内,利用前向Mie散射实验测定了单泡声致发光中气泡的最大半径,R(t)曲线及平衡半径,表明前向Mie散射是一种便捷的测定气泡运动特性的有效方法. 关键词： 单泡声致发光 前向Mie散射 光干涉     

声致发光单泡的Mie散射测量参数的理论计算

本文运用Mie散射理论系统地计算了适用于声致发光单泡的Mie散射测量参数，利用Dave倒推算法得出散射光强随半径及散射角的变化曲线I（R），I（θ），结果表明：适合于连续Mie散射测量，脉冲Mie散射测量及Mie散射定标的散射角及接收器张角是各不相同的。文中给出了合适的参数范围。     

Comparison between the single-bubble sonoluminescences in sulfuric acid and in water

Single-bubble sonoluminescence (SBSL) is achieved with strong stability in sulfuric acid solutions. Bubble dynamics and the SBSL spectroscopy in the sulfuric acid solutions with different concentrations are studied with phase-locked integral stroboscopic photography method and a spectrograph, respectively. The experimental results are compared with those in water. The SBSL in sulfuric acid is brighter than that in water. One of the most important reasons for that is the larger viscosity of sulfuric acid, which results in the larger ambient radius and thus the more contents of luminous material inside the bubble. However, sonoluminescence bubble’s collapse in sulfuric acid is less violent than that in water, and the corresponding blackbody radiation temperature of the SBSL in sulfuric acid is lower than that in water. Supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 10434070 and 10704037) and the Ministry of Education Priorities Project of China (Grant No. 103078)     

匀强磁场对水中气泡运动的影响

基于Rayleigh-Plesset方程, 考虑极性水分子在均匀磁场运动受到磁场力作用, 根据能量守恒建立了外磁场作用下单气泡运动的控制方程, 并对附加压强的大小、性质及对气泡运动的影响进行了计算和分析. 结果表明: 随磁场强度的增强, 附加压强线性增大, 气泡膨胀率降低, 最大半径减小, 气泡坍缩速度下降; 外加磁场引起的气泡振动变化规律与增大静态压具有相似的效果.     

非水液体中由修正的刹管法所产生的瞬态单一空化气泡的发光研究

在除水之外的7种非水液体和甘油的水溶液中，用修正的刹管法产生了有效直径达厘米量级的较大的瞬态单一空化气泡，这些气泡在崩溃时几乎都产生不同强度的光辐射。在其中的6种液体中，其光辐射强度与该液体的饱和蒸汽压和粘度是相关的。但在乙二醇和丙二醇中的气泡发光并不遵循这个规律，两者中的气泡发光都很强，但乙二醇中的发光强度的变化显示出某种非通常的规律性。本文还对瞬态单一气泡与通常的稳态单一气泡的发光特性进行了比较。     

液体介质中的空泡发光现象及其他

空泡广泛存在于自然界中，理论和实验表明，空泡在坍塌时可以将能量密度提高-10^12倍，发出皮秒级超短脉冲闪光，文章对液体介质中的空泡规律和常用研究方法进行了描述，主要内容包括空泡动力学、声致发光、冲击波产生、激光空泡及空泡应用前景介绍。     

气泡在横流中的生长与脱离特性实验研究

为了系统研究气泡在横流中的运动学特性,利用水循环回路形成横流,采用高速数码摄像技术和图像处理方法对横流中气泡的演化过程进行描述。通过调节横流的平均流速和气体流量,获得了6种横流中的气泡形态,即单气泡、颈状泡、条带泡、泡囊、离散泡和雾状泡;解释了各类气泡形态的特征,对气泡尺寸及分布进行了统计,对气泡在横流中的发展过程进行了描述,发现气泡形态及气泡尺寸与横流速度密切相关,并受气体流量的影响,其中颈状泡和条带泡对横流流速的变化最为敏感。     

改进粒子水平集法及其应用

针对传统粒子水平集方法的缺陷提出一种虚拟粒子对距离函数的修正方法.改进算法针对虚拟粒子与待修正网格点的各种相对位置进行误差修正,可以避免虚拟粒子在非界面法线方向移动而产生的误差.数值求解涡旋流场问题显示:改进算法的界面捕捉性能得到显著提高.在此基础上,结合投影法求解Navier-Stokes方程组,数值模拟存在高密度比(10³量级)及粘性比(10²量级)的不可压缩两相流问题(气泡上升及自由面不稳定性问题).计算结果与已有结果吻合良好,详细分析主要控制参数对瑞利-泰勒不稳定性现象的影响.     

声场中气泡群的动力学特性

以水为工作介质,考虑了液体的轻微可压缩性,研究了声场中气泡群的动力学特性,对单一型和混合型气泡群内微泡的初始半径、气泡的数目及声频率和声压对气泡动力学特性进行了数值研究．分析了各参数对气泡运动特性和气泡崩溃时所产生压力脉冲的影响．研究了单一型气泡群内气泡动力学的混沌特性,分析了气泡处于混沌特性下两次崩溃压力脉冲特征,结果表明：适合的参数有利于提高声空化处理效果．