关于液体内大规模声处理中空化研究的几点思考——再论声空化工程

再次强调了大规模液体中超声处理、以及为此目的研究声空化的重要性。提出了对这项应用中声空化行为的几点思考,重点是关于声空化的"强度"以及关于电动力式和流体动力式两类产生空化系统所产生空化的不同特性。     

声空化泡对声传播的屏蔽特性*

该文介绍了声空化液体中声波被反常吸收的现象,即驱动声压越大,吸收越强,远场声压越低。研究给出其物理机理是高声压导致强空化,空化泡吸收驱动能量辐射高次谐波,高频声波更易被液体吸收,最终形成更低的远场声压。为了克服空化屏蔽,改善声空化的均匀性,提出了改变工作液体的空化阈值的思路。并就简单的双层液体系统进行了计算和实验,结果证实这种思路的正确性。     

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     

声-流耦合空化场观测与量化表征探索*

该文利用搭建的高速摄影和空化噪声同步观测的声-流耦合空化实验平台,观察分析了声-流耦合场中空化云的演化规律及相应的空化噪声特征。通过引入空化状态变量,给出了空化强度的一种新的明确表述,并提出了一种基于高速摄影图像分析来测量和表征空化状态变量及空化强度的方法。利用该方法进一步对声-流耦合空化时间演化周期性和空间强度分布进行了定量计算。结果表明,声-流耦合空化强度和作用范围相比单独声空化和单独水力空化有显著的提升。     

声空化外场对振荡流热管传热性能的影响

本文通过实验研究了声空化外场对振荡流热管传热性能的影响规律.声空化外场对振荡流热管传热性能有显著影响,在某些工况下声空化外场可以加速热管的启动,提高热管传热性能,但亦出现施加声空化外场反而削弱传热的现象.声空化外场对振荡流热管具有独特的作用,其特殊的规律,以及内、外场之间的耦合机制亟需进行更加深入的研究.     

声空化气泡成长及破裂研究

本文对液体内的声空化气泡的成长与破裂过程进行数值计算,得到各种情况下气泡壁的运动情况.通过对不同初始半径、不同频率下声空化气泡运动的计算,得到空化气泡半径小于共振半径,可以增强空化效果,而单一的增强声场的频率并不一定能加强声空化效果,为增强空化效果提供理论依据.研究各种信号作用下声空化气泡成长情况,明确方波信号激励下的...     

声空化强化振荡流热管传热实验研究

本文提出了声空化强化振荡流热管传热的方法,并对常规振荡流热管与声空化振荡流热管传热性能进行了对比实验,观察不同加热温度和声空化强度对热管传热性能的影响.实验结果表明在不同的声空化强度下,声空化振荡流热管传热均大于常规振荡流热管;在相同的加热温度下,声空化振荡流热管的当量导热系数均大于常规振荡流热管.声空化强化振荡流热管传热的方法是可行的.     

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.     

声驻波场中空化泡的动力学特性

以水为工作介质, 考虑了液体的可压缩性, 研究了驻波声场中空化泡的运动特性, 模拟了驻波场中各位置处空化泡的运动状态以及相关参数对各位置处空化泡在主Bjerknes力作用下运动方向的影响. 结果表明: 驻波声场中, 空化泡的运动状态分为三个区域, 即在声压波腹附近空化泡做稳态空化, 在偏离波腹处空化泡做瞬态空化, 在声压波节附近, 空化泡在主Bjerknes 力作用下, 一直向声压波节处移动, 显示不发生空化现象; 驻波场中声压幅值增加有利于空化的发生, 但声压幅值增加到一定上限时, 压力波腹区域将排斥空化泡, 并驱赶空化泡向压力波节移动, 不利于空化现象的发生; 当声频率小于初始空化泡的共振频率时, 声频率越高, 由于主Bjerknes 力的作用将有更多的空化泡向声压波节移动, 不利于空化的发生, 尤其是驻波场液面的高度不应是声波波长的1/4; 当声频率一定时, 空化泡初始半径越大越有利于空化现象的发生, 但当空化泡的初始半径超过声频率的共振半径时, 由于主Bjerknes力的作用将有更多的空化泡向声压波节移动, 不利于空化的发生.     

声空化工程初步*

声空化气泡内的高温、高压和高密度是声空化工程的机理和基础。该文简要回顾了国内外声空化理论和实验研究的进展,针对当前在液体中进行工业规模声处理等声能应用方面的现状和存在的问题,提出了扩大声能应用的一种可能途径——声空化空间分布控制并在实验室内进行了实验研究。结果表明该方法具有可行性。在此基础上,文中给出了基于空化空间分布控制方法在稠油井口辅助降粘和高固污泥预处理方面取得声空化工程初步应用的两个例子。现场的试验结果表明,这两种声空化工程化样机在实际现场工况条件下,均取得了较好的应用效果。最后,对当前声空化工程应用前景进行了初步探讨。     

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.     

声空化物理研究和核发射实验的近期进展

简要概述了20世纪20年代起多泡声空化的发现、研究和应用，随后重点介绍了20世纪90年代初实现的稳态单一气泡；由于它的实现，对声空化的实验研究和理论研究迅速取得进展，特别是在对气泡内部的极端条件（高温、高压、高密度）以及对气泡内声致发光的机理研究方面，同时还介绍了我国早在20世纪60年代实现的瞬态单一泡以及近期的一些实验结果。文章最后提到2002年3月美国报道的声空化核辐射实验，这个实验正在激发人们对声空化的更多关注。     

超声空化及其声流结构实验研究*

超声空化及其声流效应在医学、化工和能源等领域得到广泛应用。本文采用高速摄像和粒子图像测速系统分别研究了超声场下的空化形态和声流场结构的时空演化规律。实验研究了50W,100W,200W和250W等四种不同输入功率对18kHz的超声变幅杆附近空化及其声流场的影响。研究结果表明：（1）在变幅杆下端面处观察到由大量空化气泡均匀分布组成的倒置锥形空泡结构,并且锥形空泡结构为稳态流动结构。（2）在超声变幅杆附近产生了两种不同的声流形式,第一种是变幅杆底端的射流型声流,第二种是变幅杆两侧的回旋流。此外,通过研究空泡与声流场中最大速度点之间的空间对应关系,发现声流是因为空泡流动带动而产生的。（3）空间位置和输入功率能显著影响射流型声流的流场结构,但是对回旋流的影响十分微弱。     

有人预测声化学近期内将走向工业生产

1991年4月30日声化学家Suslick教授在美国声学学会的121届年会上发表了题为《声化学的热点》的报告。指出,声化学的原动力是声空化,即在超声波辐照下液体中空泡的形成、扩大及内爆。空化泡内爆时可以产生很高的局部温升,这一点最近已由化学动力学测温法及高分辨率的声致发光谱研究二种技术进行了定量测定,发现在空化发生时的温升可达5000K,而有效地存在时间仅为几个μs。与此同时,声化学发生过程伴有声致发光——一种弱的光发射,由此热点激发的化学反应过程不同于通常的热化学和光化学,     

可压缩液体中气泡的声空化特性

利用新提出的Gilmore-NASG模型,在考虑液体可压缩效应的边界条件下,研究了可压缩液体中气泡的声空化特性,并与利用原有KM-Vd W模型计算得到的结果进行了比较.结果表明,相比于KM-Vd W模型,由于Gilmore-NASG模型采用新的状态方程来描述气体、液体以及由可压缩性引起的液体密度变化及声速变化,所以用Gilmore-NASG模型得到的空化气泡的压缩比更大、崩溃深度更深、温度和压力峰值更高.随着驱动声压幅值的增大,两种模型给出的结果差别愈加明显,而随着驱动频率的增大,两种模型给出的结果差别逐渐减小.这表明,在充分考虑泡内气体、周围液体在不同温度和压强下共体积的变化所导致的介质可压缩特性下,气泡内的温度和压强可能达到更高值.同时, Gilmore-NASG模型还预测出了气泡壁处液体的密度变化、压力变化、温度变化以及液体中的声速变化.因此, Gilmore-NASG模型在研究高压状态下气泡的空化特性以及周围液体对气泡空化特性的影响方面具有优点.     

声空化物理化学综合法制备发光多孔硅薄膜的微结构与发光特性

声空化所引发的特殊的物理、化学环境为制备高效发光的多孔硅薄膜提供了一条重要的途径.实验结果表明，声化学处理对于改善多孔硅的微结构，提高发光效率和发光稳定性都是一项非常有效的技术.超声波加强阳极电化学腐蚀制备发光多孔硅薄膜，比目前通用的常规方法制备的样品显示出更优良的性质.这种超声的化学效应源于声空化，即腐蚀液中气泡的形成、生长和急剧崩溃，在多孔硅的腐蚀过程中，孔中的氢气泡，由于超声波的作用增加了逸出比率和塌缩，有利于孔沿垂直方向的腐蚀. 关键词： 声空化方法 微结构 发光特性 多孔硅     

利用换能器电信号相位特征实时监测高强度聚焦超声治疗中的声空化

高强度聚焦超声(HIFU)激发的声空化可加速靶组织的热消融,但声空化的实时监测是一个亟需解决的问题。利用HIFU换能器驱动电信号的相位差与电阻抗之间的数学模型,建立了HIFU辐照及换能器驱动电信号、声空化信号实时检测实验系统,探究了HIFU辐照离体牛心组织过程中,换能器驱动电信号的相位差与B超影像灰度变化及宽频水听器检测到的次谐波和宽带噪声信号的变化规律。结果表明:当声空化发生时,换能器驱动电信号相位差的变化与水听器检测到的次谐波和宽带噪声信号变化具有一致性,通过相位差的变化可实现HIFU辐照靶组织中声空化的实时、精准监测,这为HIFU所致声空化的实时监测提供了一种有应用前景的解决方案。     

声空化学术讨论会在北京召开

2003年12月21日-22日在北京中国科学院声学研究所举办了声空化学术讨论会。除中科院声学所外,中科院物理所、同济大学声学所、南京大学声学所、陕西师范大学、清华大学、东南大学、南京铁道医学院等单位,对声空化机理及化学和生物方面应用从事研究的人员20余人参加了会议。会上交流了参加单位近两三年来的研究工作,并进行了讨论。应崇福、李同保、钱梦骤、冯若、陈伟中、王龙、安宇、林书玉、     

声空化场下单相对流传热的实验研究

以水、乙醇和丙酮为工质，首次通过实验研究了声空化场的热效应、单相对流换热受空化时间．纳米颗粒和实验工质的影响及恒热流密度下单相对流换热系数随声空化强度的变化，并就其强化传热机理进行了分析。     

声场中气泡运动的混沌特性

以水为工作介质,考虑了液体的可压缩性,研究了声场中气泡的运动特性,模拟了声波频率、声压幅值、气泡初始半径以及液体的表面张力和黏滞系数的变化对气泡运动状态的影响. 分析了空化处理效果与气泡运动状态之间关系. 结果表明:气泡运动处于混沌状态,是提高声空化降解有机污染物能力的最重要因素. 关键词： 声空化 混沌 相图 功率谱图