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.     

声场中水力空化泡的动力学特性

以水为工作介质,考虑了液体黏性、表面张力、可压缩性及湍流作用等情况,对文丘里管反应器中空化泡在声场作用下的动力学行为特性进行了数值研究.分析了超声波频率、声压及喉径比对空化泡运动特性以及空化泡崩溃时所形成泡温以及压力脉冲的影响.结果表明,超声将水力空化泡运动调制成稳态空化,有利于增强空化效果. 关键词： 超声波 水力空化 湍流 气泡动力学     

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.     

利用声衰减反演气泡群分布的方法研究

通过测量含气泡水的声衰减反演气泡群参数是获取水中气泡分布的重要方法,但是经典方法忽略了较高浓度气泡水中的强频散特性和气泡振动参数的改变,导致反演较高浓度气泡群分布时会产生巨大误差.为解决这个问题,本文基于等效媒质理论建立起了声衰减和相速度的联系,并考虑了含气泡水平均量对气泡阻尼系数和共振频率的影响.在此基础上,通过将反演气泡分布和修正相速度及气泡振动参数交替迭代的方法,有效地消除了高浓度气泡水中由频散和气泡振动特性改变引起的误差.与实验数据对比发现,气泡群孔隙率达到10^-5时,考虑含气泡水的频散特性会显著降低反演误差;而当气泡群孔隙率达到10^-3时,气泡阻尼系数和共振频率的修正会对反演结果变得重要.本文方法在反演孔隙率为10^-3-10^-2的高浓度气泡群时,仍有较好效果,这可为获取水下较高浓度气泡群分布提供方法借鉴.     

弹性管中泡群内气泡的非线性声响应

将弹性管壁视为膜弹性结构,得到了管径较大弹性管中泡群内气泡弱非线性振动的动力学模型.利用逐级近似法对气泡的非线性共振频率、基频振动响应特性进行了理论分析.结果表明:气泡共振频率主要受泡群内气泡间相互作用的影响;气泡的非线性共振频率将发生偏移,其偏移量取决于共振响应振幅;气泡的声响应区存在最大频率值;在声响应的高频率区内声响应幅值有多值性.     

超声波作用下泡群的共振声响应

从球状泡群气泡动力学方程出发, 考虑泡群间次级声辐射的影响, 得到了声场中两泡群共同存在时气泡振动的动力学方程, 并以此为基础探讨声波驱动下双泡群振动系统的共振响应特征. 由于泡群间气泡间的相互作用, 系统存在低频共振和高频共振现象, 两不同共振频率的数值与泡群内气泡的本征频率相关. 泡群内气泡的本征频率又受到初始半径、泡群大小和泡群内气泡数量的影响. 气泡自由振动和驱动声波的耦合激起泡群内气泡的受迫振动, 气泡初始半径、气泡数密度和驱动声波频率等都会影响泡群内气泡的振动幅值和初相位. 关键词： 气泡群 共振 声响应 超声空化     

水中气泡激光散射的图像识别方法研究

采用Q调制高功率脉冲激光光源和水下数码相机拍摄到水中气泡群光散射的图像。对水中群聚气泡的光散射图像进行了初步的定性研究。利用MATLAB处理并分析图像，结果表明气泡光散射图像的梯度与气泡的尺度有关，用图像方法来识别气泡群是可行的。     

基于边界元法的近平板圆孔气泡动力学行为研究

研究了带有圆孔的平板附近气泡动力学特性. 基于不可压缩势流理论, 建立了平板圆形破口附近气泡运动数值模型, 并针对气泡初始位置距离破口很近而导致计算结果发散的数值缺陷, 采用气泡壁和壁面融合的方法, 将流场分离为两个半无限域问题进行求解, 实现了在不同无量纲参数范围内的数值模拟, 数值结果与实验结果符合良好. 通过对圆孔附近气泡运动特性的研究发现, 圆孔对气泡的影响基本与壁面相反, 在膨胀阶段对气泡产生腔吸作用, 收缩阶段产生排斥, 在特定的工况下会产生对射流现象. 最后分析了气泡壁与壁面融合, 流场分离后的气泡动态特性以及各工况参数对其影响规律. 关键词： 气泡 边界元 射流 圆孔     

考虑水蒸气蒸发和冷凝的球状泡群中泡的动力学特性

为了深入探究空化泡群中气泡的动力学特性,建立了超声驱动下考虑水蒸气的蒸发和冷凝的泡群中泡的动力方程.基于该方程,研究了泡群中泡的位置、泡的数量、泡的初始半径对其动力学特性的影响,探究了超声作用下球状泡群中气泡半径、能量、温度、压力和气泡内水蒸气分子数的变化规律.结果表明:泡群中泡的运动受到周围气泡的抑制作用;泡群中泡的初始半径大小对泡群中泡的半径、能量、温度、压力和气泡内水蒸气分子数有显著影响;泡群中泡的位置距离泡群中心越远,泡的膨胀半径越大;随着泡群中泡的数目增加,泡的振幅减小;超声频率增加,泡群中泡的空化效应减弱;超声声压增加,泡群中泡的空化效应增加.研究结果为超声空化泡群的研究提供了理论参考.     

竖直矩形通道内液体流动

通过对沸腾气泡在液体中的受力分析,建立了沸腾气泡长大过程的动力学方程;进而获得了沸腾气泡的生长速率与脱离直径的计算方法.采用图象捕集与处理系统,对竖直矩形通道内液体流动沸腾气泡长大与脱离行为进行实验测定,结合模型求解,获得了气泡生长速率、气泡脱离直径、气泡与加热壁面的接触角等参数随操作条件的变化;由模型计算所得的气泡脱离直径与实测值较为符合.     

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。     

激光空泡在文丘里管中运动的动力学特性

以水为工作介质,在不同文丘里管入口压力下,利用YAG激光器产生的激光轰击水中的金属靶材产生空泡,借助高速摄像系统记录激光空泡在文丘里管中的运动过程,并采用流体动力学模拟对文丘里管中的流场特性和空泡的溃灭特性进行分析.结果表明:激光空泡在文丘里管中的运动,其形状变化可分为产生阶段、挤压阶段、溃灭初始阶段和溃灭阶段等四个阶段.空泡的溃灭取决于流场状态,当流动为层流时,空泡不发生溃灭;当流动为湍流时,空泡发生溃灭,且湍流程度越剧烈,溃灭现象越显著.搭建的激光空泡生成与运动系统能够实现空泡的定点溃灭.     

含气量对空泡脉动特性影响的理论研究

分析了含气量对粘性液体中球形单空泡脉动特性的影响。研究结果表明：随着泡内初始含气量的增加,空泡达到最大泡半径的时间延长;空泡膨胀的最大泡半径、收缩的最小泡半径和脉动周期均随初始含气量的增加而增加;同时,空泡膨胀和溃灭时泡壁的运动速度均随空泡初始含气量的变化而变化。无论含气量如何,在空泡收缩到最小泡半径附近,泡壁运动速度（收缩或膨胀）要明显快于其在最大泡半径附近;此外,受液体粘性影响,空泡膨胀和收缩过程明显变缓。     

Conical bubble photoluminescence from rhodamine 6G in 1, 2-propanediol

A modified U-tube conical bubble sonoluminescence device is used to study the conical bubble photoluminescence. The spectra of conical bubble sonoluminescence at different concentrations of rhodamine 6G (Rh6G) solution in 1,2-propanediol have been measured. Results show that the sonoluminescence from the conical bubbles can directly excite Rh6G, which in turn can fluoresce. The light emission of this kind is referred to as conical bubble photoluminescence. The maximum of fluorescence spectral line intensity in the conical bubble photoluminescence has a red shift in relative to that of the standard photo-excited fluorescence, which is due to the higher self-absorption of Rh6G, and the spectral line of conical bubble photoluminescence is broadened in width compared with that of photo-excited fluorescence.     

气泡浓度对海洋激光雷达后向散射特性的影响

对不同浓度气泡幕水下激光雷达的后向散射特性进行了理论分析和实验研究。实验结果表明：由于水中气泡群后向散射的原因,在水下激光雷达整体后向散射信号的回波曲线上,除了水体后向散射导致的信号峰以外,还出现因气泡散射而导致的散射峰,该散射峰叠加在水体的后向散射信号峰上,其位置与水中气泡幕的位置直接相关,而其幅值则受气泡幕的浓度影响。随着气泡幕浓度的增大,其后向散射峰幅值相应增大,这一点与理论分析结果一致,而回波峰值的变化趋势则主要受水体质量的影响。     

Finite-amplitude vibration of a bubble in water

The numerical results obtained by Rayleigh-Plesset （R-P） equation failed to agree with the experimental Mie scattering data of a bubble in water without inappropriately increasing the shear viscosity and decreasing the surface tension coefficient. In this paper, a new equation proposed by the present authors （Qian and Xiao） is solved. Numerical solutions obtained by using the symbolic computation program from both the R-P equation and the Qian-Xiao （Q-X） equation clearly demonstrate that Q-X equation yields best results matching the experimental data （in expansion phase）. The numerical solutions of R-P equation also demonstrate the oscillation of a bubble in water depends strongly upon the surface tension and the shear viscosity coefficients as well as the amplitude of driving pressure, so that the uniqueness of the numerical solutions may be suspected if they are varied arbitrarily in order to fit the experimental data. If the bubble＇s vibration accompanies an energy loss such as the light radiation during the contract phase, the mechanism of the energy loss has to be taken into account. We suggest that by use of the bubble＇s vibration to investigate the state equations of aqueous solutions seem to be possible. We also believe that if one uses this equation instead of R-P equation to deal with the relevant problems such as the ＇phase diagrams for sonoluminescing bubbles＇, etc., some different results may be expected.     

Effect of nonlinear translations on the pulsation of cavitation bubbles

The pulsations and translations of cavitation bubbles obey combined ordinary differential equations, and their nonlinearities are studied by the bifurcation diagram and the phase diagram in a strong ultrasonic field. Bubble pulsation can change regularly or irregularly with changing driving pressure in the time domain. The bifurcation diagrams of the pulsation versus driving pressure show that the pulsations and translations of bubbles have nonlinear characteristics, and the nonlinear translations of bubbles can disorder the pulsations for certain parameters. Disorder of the pulsation can also be caused by nonlinear pulsation itself. In addition, the phase diagrams also show that the nonlinear translations make a large contribution to the pulsations. The same result can also be obtained when the ambient radii of two bubbles are different.     

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     

核态沸腾中汽泡动力学及传热机理分析

汽泡的传热及生长特性研究对于揭示核态沸腾的机理具有重要作用。本文介绍了利用高速摄像技术对核态沸腾中汽泡生长及运动现象进行实验观测,并用高速数据采集系统记录汽泡一个生长周期不同阶段的热流密度的方法。在不同的过冷度及壁面温度条件下,观测了汽泡的生长、周期性滑移、颈化和脱离现象。计算并绘制出不同条件下一个汽泡生长周期内的热流密度曲线,与汽泡图片相对应,分析并讨论了造成这些现象的机理。