光击穿液体空泡特性的高速图像测量

为了分析激光击穿液体介质过程中的等离子体闪光、空泡脉动、冲击波辐射、空泡溃灭发光等综合效应,将高速摄影技术应用于液体激光击穿研究.采用高功率激光聚焦击穿水、酒精、甘油、硅油等粘性液体,观测到了激光击穿形成的等离子体闪光、空泡脉动及溃灭、空泡溃灭发光及冲击波辐射.通过对激光空泡图像序列的分析,得到了不同液体介质中激光空泡的脉动特征、冲击波辐射等特性.研究结果可为水下激光加工、激光医疗、空化空蚀、能源相关流体力学的研究提供一定的理论和实验支持.     

含气量对液体中空泡声波频谱特性的影响

通过压电陶瓷（PZT）水听器获取了液体中激光空泡脉动辐射的声波,并计算了激光空泡在第1次脉动过程中泡内的含气量,结合空泡含气量对空泡最大半径及脉动周期影响的分析,进而分析了含气量对空泡声波频谱特性的影响。分析结果表明:激光空泡第1次脉动过程中泡内的含气量随着作用激光能量的增加而增加,含气量的多少将直接影响空泡运动的剧烈程度;含气量越多,空泡脉动越缓慢,脉动周期越长,空泡脉动辐射声波的峰值频率有向低频移动的趋势。     

不同光聚焦状态的光击穿声辐射特性

强激光通过光学系统聚焦于水下时,击穿水介质辐射强声波信号.光学聚焦特性的不同,使得激光击穿区域形状的差异,导致辐射的声信号在强度、频谱特征上具有较大的差异性.为研究不同光聚焦状态对激光击穿形成的空泡辐射声波的影响,推导了不同聚焦状态下激光空泡壁的运动方程及声辐射模型,构建了激光声实验测量系统,实验研究了不同聚焦状态下光击穿导致的空泡脉动参数、辐射声信号特征的差异性.结论:激光声信号强度与激光能量成线性关系,在激光能量高于一定参数情况下,声信号强度变化不大;在低激光功率下,扩束聚焦与非扩束聚焦,辐射的声信号特性差异不大;在高激光功率条件,扩束聚焦击穿形成的空泡半径大于非扩束聚焦击穿,辐射的声信号强度高于非扩束聚焦;为提高激光击穿辐射卢信号效率,应对激光束进行扩束聚焦.     

黏性液体中激光空泡脉动特性的理论和实验研究

通过自行研制的光偏转测试系统对黏性液体中激光空泡脉动特性进行了实验，获得了激光等离子体空泡前两次脉动全过程，从而判定了空泡在脉动过程中对应的最大和最小泡半径；并将不同黏性系数下空泡脉动结果与基于空泡溃灭理论的计算结果进行了对比.结果表明：液体黏性对空泡生存周期、空泡半径，以及泡壁的运动速度等均有影响.受液体黏性影响，空泡膨胀或收缩过程明显变缓，其相应的生存周期也越长.这一研究结果不仅可促进空化研究的深入，也可为合理利用空化现象提供参考. 关键词： 激光泡 脉动特性 黏性 光纤传感器     

含气量对黏性液体中空泡脉动特性的影响

采用自行研制的高灵敏度光偏转测试系统,研究黏性液体中激光空泡脉动特性.判定了空泡两次脉动对应的最大和最小泡半径,进而计算了激光空泡在前两次脉动过程中泡内的含气量.研究表明：泡内含气量对泡脉动特性有较大影响.随着脉动次数的增加,空泡泡内含气量增大.空泡最大泡半径随含气量的增加而增大.此外,受液体黏性影响,空泡膨胀和收缩过程明显变缓. 关键词： 含气量 黏性 激光空泡 脉动特性     

环境压强对空泡脉动特性的影响

基于空泡生长和溃灭理论分析不同环境压强对空泡膨胀的最大泡半径、收缩的最小泡半径、膨胀与收缩速度的影响.同时,利用高功率激光与液体物质相互作用产生空泡,采用高速照相机、高频测量水听器实验研究不同环境压强下液体中空泡运动规律,并将实验结果与计算结果进行对比.结果表明:环境压强对空泡脉动特性有较大影响.相同激光能量击穿液体介质时,随着外界环境压强的增加,空泡脉动周期呈现递减趋势;空泡第一次脉动的最大泡半径同脉动周期的变化趋势一致,且数值由快到慢递减;随着外界压强的增加,空泡溃灭的速度越快.随着压强的增大,空泡膨胀与收缩更为剧烈,持续时间更短.     

水中激光击穿空泡的高速摄影研究

为了分析激光击穿液体介质过程中的等离子腔体、空泡脉动、近/远场声波特性等综合效应,将高速摄影技术应用于水下激光击穿研究.观察到了激光击穿形成的等离子体闪光、空泡脉动及溃灭过程,通过对所得照片的分析,得到了激光空泡生长的规律,实验结果与已有的水下空泡理论计算及采用光散射、压力传感器测量结果吻合较好,证明了高速摄影技术在水下激光击穿产生空泡特性研究中的重要作用.     

含气量对激光空泡在刚性壁面空蚀的影响

采用强脉冲激光器设计液体环境下刚性壁面空蚀实验平台,改变液体中含气量,利用高速相机观察不同含气量条件下激光空泡在壁面附近的脉动过程,并对刚性壁面造成的空蚀结果进行了观测。实验研究发现,随着液体中相对空气含量的提高,激光空泡脉动的最大尺寸增大,空泡的膨胀运动变剧烈,溃灭运动速度降低,空泡的溃灭强度降低,从而影响到溃灭冲击波和壁面微射流对刚性壁面的冲击速度,减弱了壁面空蚀,而液体中含气量的提高能够降低激光空泡对刚性壁面的空蚀程度。     

壁面附近激光空泡溃灭的空蚀特性

为分析空泡在壁面附近溃灭导致的冲击波和射流特性,提出将激光空化、高速摄影技术应用于激光空泡的空蚀研究。建立了壁面附近激光空泡的产生、微调控制及高速摄影测量实验平台。采用高速摄影技术对不同液体、不同γ参量条件下空泡脉动的外形特征、溃灭冲击波和溃灭射流等参量进行了测量。结果表明,壁面的存在弱化了空泡溃灭时的收缩程度,空泡溃灭时的冲击波和射流对壁面的破坏作用存在着此消彼长,相互竞争的关系;空泡在壁面附近脉动时,回弹泡的溃灭对壁面也可产生较强的破坏作用;液体的粘性增大有助于空泡表面维持稳定,减缓空泡溃灭时泡壁的运动速度。     

激光空泡在近自由液面运动特性的实验研究

采用激光技术聚焦击穿液体产生空泡,利用高速摄像系统开展激光空泡与自由液面的相互作用的实验研究。实验研究发现,空泡与自由液面之间的无量纲距离对水下空泡的脉动特性和自由液面的水冢现象存在影响。通过大量实验总结了无量纲距离与空泡半径、空泡脉动周期、自由液面水柱的最大高度和产生水冢时间的相互关系。实验表明无量纲距离越小,空泡脉动周期越短,自由面的水冢现象越明显。同时统计出了在不同无量纲距离范围内所出现的5种不同水冢现象的规律。研究内容为空泡与自由液面相互作用的理论提供了实验依据。     

Luminescence from acoustic-driven laser-induced cavitation bubbles

The influence of a continuous sound field on the first oscillation cycle and on the cavitation luminescence of a transient laser-induced bubble is investigated experimentally. The variation of the collapse phase is predicted with a simple numerical model and compared with experiment. Bubble dynamics is mainly influenced by three parameters: the phase of bubble generation, the size of the bubble, and the amplitude of the sound field. The experimentally found enhancement and reduction of the luminescence is discussed and several suggestions are made for further boosting of the collapse strength.     

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。     

激光空泡刚性半球面内运动

采用甚高速照相技术与建立激光空泡在刚性半球壁面内的运动模型相结合的方法,确定了激光空泡在刚性半球面壁内的运动特性与无量纲距离的关系,提出了最佳无量纲距离概念。结果表明:半球反射面的半径与激光空泡最大半径之比小于1.1时,激光空泡在第1次膨胀时就会产生严重的变形并弹出半球面,并产生空化泡和空蚀,它们均会严重影响激光声的传播。该比值在1.1~3.3时,激光空泡将在第3次收缩之前接触半球面,容易对壁面造成空蚀。在该比值大于3.3的情况下,激光空泡在第3次收缩之前不会接触半球面,对激光声的传播和反射特性影响较小。如果考虑把空泡第1次溃灭时产生的激光声的声学中心控制在击穿点时,需要把该比值控制在5以上。     

Bubbles in an acoustic field: an overview

Acoustic cavitation is the fundamental process responsible for the initiation of most of the sonochemical reactions in liquids. Acoustic cavitation originates from the interaction between sound waves and bubbles. In an acoustic field, bubbles can undergo growth by rectified diffusion, bubble-bubble coalescence, bubble dissolution or bubble collapse leading to the generation of primary radicals and other secondary chemical reactions. Surface active solutes have been used in association with a number of experimental techniques in order to isolate and understand these activities. A strobe technique has been used for monitoring the growth of a single bubble by rectified diffusion. Multibubble sonoluminescence has been used for monitoring the growth of the bubbles as well as coalescence between bubbles. The extent of bubble coalescence has also been monitored using a newly developed capillary technique. An overview of the various experimental results has been presented in order to highlight the complexities involved in acoustic cavitation processes, which on the other hand arise from a simple, mechanical interaction between sound waves and bubbles.     

激光空泡溃灭及其产生的声波

强激光脉冲在水中的自聚焦传输、成丝、击穿及击穿后产生的声波,近年来成为强激光脉冲传输应用研究领域的一个热点。强激光脉冲电离产生的空泡在溃灭过程中,对周围水体产生压缩,从而在水下产生声波。在现有理论基础上,考虑空泡含气量、水的粘滞系数和水的表面张力系数对空泡运动及其产生声波的影响。给出双空泡运动方程,分析空泡间距对空泡溃灭和其产生声压关系。根据实际情况,计算不同温度情况下单空泡和双空泡运动过程及其产生的声压,并进行相互比较。计算结果表明: 水温越高,空泡运动时达到的最小半径越小,空泡振荡周期和溃灭时间延长,产生声压越高。随双空泡间距减小,空泡溃灭时达到的最小半径线性减小,而其产生的最大声压则单调增大。     

声场中双空化泡的运动特性

空化泡的运动特性是声场作用下的动力学行为,受空化泡初始半径,声压幅值,驱动声压频率,液体特性等众多因素的影响,是个复杂工程。本文从双空化泡运动方程出发,考虑到液体粘滞系数、空化泡辐射阻尼项的影响,研究了不同初始半径、驱动声压频率、驱动声压幅值、液体粘滞系数下空化泡泡壁的运动情况,研究结果表明不同初始半径、外界驱动声压频率、驱动声压幅值、液体粘滞系数均会对空化泡的膨胀比和空化泡的溃灭时间有一定影响。     

Numerical study of the synergistic effect of cavitation and micro-abrasive particles

In ultrasonic-assisted machining, the synergistic effect of the cavitation effect and micro-abrasive particles plays a crucial role. Studies have focused on the investigation of the micro-abrasive particles, cavitation micro-jets, and cavitation shock waves either individually or in pairs. To investigate the synergy of shock waves and micro-jets generated by cavitation with micro-abrasive particles in ultrasonic-assisted machining, the continuous control equations of a cavitation bubble, shock wave, micro-jet, and micro-abrasive particle influenced by the dimensionless amount (R/R₀), a particle size-velocity–pressure model of the micro-abrasive particle was established. The effects of ultrasonic frequency, sound pressure amplitude, and changes in particle size on micro-abrasive particle velocity and pressure were numerically simulated. At an ultrasonic frequency of 20 kHz and ultrasonic sound pressure of 0.1125 MPa, a smooth spherical SiO₂ micro-abrasive particle (size = 5 µm) was obtained, with a maximum velocity of 190.3–209.4 m/s and pressure of 79.69–89.41 MPa. The results show that in the range of 5–50 μm, smaller particle sizes of the micro-abrasive particles led to greater velocity and pressure. The shock waves, micro-jets, and micro-abrasive particles were all positively affected by the dimensionless amount (R/R₀) of cavitation bubble collapse, the larger the dimensionless quantity, the faster their velocity and the higher their pressure.