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.     

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     

表面张力对固壁旁空泡运动特性影响的理论和实验研究

表面张力是影响空泡脉动及空蚀的一个重要因素.对五种不同表面张力液体中空泡脉动（膨胀和收缩）过程进行了研究,并将实验结果与基于空泡生长和溃灭理论的计算结果进行了对比.实验中,用激光作为测试光源,采用光偏转测试系统研究了不同表面张力液体中空泡泡壁运动规律及泡壁速度的变化.结果表明：表面张力对空泡膨胀过程起抑制作用,故液体表面张力愈大,空泡能达到的最大直径越小;表面张力对空泡的收缩过程则起加速作用,液体表面张力愈大,收缩越迅速,空泡泡壁运动速度越大,其所产生的瞬时溃灭压强越大,空化效果越好. 关键词： 表面张力 空泡 光偏转     

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。     

激光烧蚀水下金属产生冲击波和空泡效应的研究

采用自行研制的高灵敏度光束偏转测试系统,对脉冲激光烧蚀水下金属产生的等离子体冲击波和空泡效应进行了实验研究。实验得到了激光等离子体冲击波的传播规律、冲击波与激光空泡的分离过程、空泡的脉动特性以及空泡溃灭冲击波的形成机制。结果表明,空泡最大和最小泡径、振荡周期均随着脉动次数的增加呈减小趋势,且减小幅度较大。最小收缩泡径由泡能和腔内含气量共同决定。在同一次脉动过程中,空泡膨胀所需的时间明显大于收缩所需的时间。     

固壁面附近激光产生空泡脉动过程的实验研究

采用自行研制的光纤传感器研究了激光等离子体空泡在固壁面附近的脉动特性。实验获得了激光空泡三次膨胀到最大位置对应的波形图;并据此判定了激光空泡在脉动过程中对应的最大泡半径和溃灭周期;在此基础上结合空泡溃灭理论,计算了激光泡溃灭周期的延长因子κ。结果表明:随着脉动次数的增加,最大泡半径依次减小;随着作用激光能量的增大,最大泡半径,空泡溃灭周期的延长因子κ均增大;而无量纲参量的增大将导致延长因子的减小。所得到的延长因子同样可用于无限域流场。     

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、激光技术 激光物理

TN241 2006064910液体物质中的空化现象实验研究=Experimental research on cavitation bubble in water[刊,中]/赵瑞(南京理工大学应用物理系．江苏,南京(210094)),徐荣青…//光电子·激光．—2006．17(5)．—629—633采用自行研制的光偏转测试系统对强激光诱导液体物质的空化现象进行了实验研究,实验得到了激光等离子体冲击波传播规律和空泡的动力学特性。结果表明,激光等离子体冲击波在其传播过程中迅速衰减为声波；激光空泡的最大泡径随脉动次数增加依次减小,而收缩的最小泡径则由腔内含气量决定。图7参11(严寒)     

Growth and collapse of laser-induced bubbles in glycerol--water mixtures

Comprehensive numerical and experimental analyses of the effect of viscosity on cavitation oscillations are performed. This numerical approach is based on the Rayleigh-Plesset equation. The model predictions are compared with experimental results obtained by using a fibre-optic diagnostic technique based on optical beam deflection （OBD）. The maximum and minimum bubble radii as well as the oscillation times for each oscillation cycle are determined according to the characteristic signals. It is observed that the increasing of viscosity decreases the maximum bubble radii but increases the minimum bubble radii and the oscillation time. These experimental results are consistent with numerical results.     

Energy partitioning in laser-induced millimeter-sized spherical cavitation up to the fourth oscillation

To investigate the energy partitioning up to the fourth oscillation of a millimeter-scale spherical cavitation bubble induced by laser, we used nanosecond laser pulses to generate highly spherical cavitation bubbles and shadowgraphs to measure the radius-time curve. Using the extended Gilmore model and considering the continuous condensation of the vapor in the bubble, the time evolution of the bubble radius, bubble wall velocity, and pressure in the bubble is calculated till the 4th oscillation. Using Kirkwood-Bethe hypothesis, the evolution of velocity and pressure of shock wave at the optical breakdown, the first and second collapses are calculated. The shock wave energy at the breakdown and bubble collapse is directly calculated by numerical method. We found the simulated radius-time curve fits well with experimental data for the first four oscillations. The energy partition at the breakdown is the same as that in previous studies, the ratio of shock wave energy to bubble energy is about 2:1. In the first collapse and the second collapse, the ratio of shock wave energy to bubble energy is 14.54:1 and 2.81:1 respectively. In the third and fourth collapses, the ratio is less, namely than 1.5:1 and 0.42:1 respectively. The formation mechanism of the shock wave at the collapse is analyzed. The breakdown shock wave is mainly driven by the expansion of the supercritical liquid resulting from the thermalization of the energy of the free electrons in the plasma, and the collapse shock wave is mainly driven by the compressed liquid around the bubble.     

超声场下刚性界面附近溃灭空化气泡的速度分析

为了揭示刚性界面附近气泡空化参数与微射流的相互关系, 从两气泡控制方程出发, 利用镜像原理, 建立了考虑刚性壁面作用的空化泡动力学模型. 数值对比了刚性界面与自由界面下气泡的运动特性, 并分析了气泡初始半径、气泡到固壁面的距离、声压幅值和超声频率对气泡溃灭的影响. 在此基础上, 建立了气泡溃灭速度和微射流的相互关系. 结果表明: 刚性界面对气泡振动主要起到抑制作用; 气泡溃灭的剧烈程度随气泡初始半径和超声频率的增加而降低, 随着气泡到固壁面距离的增加而增加; 声压幅值存在最优值, 固壁面附近的气泡在该最优值下气泡溃灭最为剧烈; 通过研究气泡溃灭速度和微射流的关系发现, 调节气泡溃灭速度可以达到间接控制微射流的目的.     

Experimental investigation of the collapse of laser-generated cavitation bubbles near a solid boundary

The oscillation of a laser-generated single cavitation bubble near a solid boundary is investigated by a fiber-optic diagnostic technique based on optical beam deflection (OBD). The maximum bubble radii and collapse time for each oscillation cycle are determined from a sequence of bubble oscillations. Furthermore, by combining the revised Rayleigh theory, the prolongation factor κ at different dimensionless parameter γ (γ=L/R_max, where R_max is the maximum bubble radius and L is the distance of a cavity inception point from a boundary) is obtained. In addition, the prolongation factor of the collapse time versus laser energy is also derived, which are valuable in the fields of hydraulic cavitation, laser lithotripsy and laser ophthalmology.     

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。