可压缩涡流场中空泡运动规律及声辐射特性研究

基于可压缩流体力学基本理论, 通过边界积分方程, 采用不同表面压力模型, 求解空泡在计及可压缩性的涡流场中的运动规律; 通过表面离散及坐标变换, 采用Kirchhoff动边界积分方程, 将空泡表面视为运动变形边界, 作为直接噪声源, 获得涡流场中空泡运动产生的时域声压分布; 分析了涡流场参数对空泡运动规律及声辐射特性的影响. 研究结果表明: 计及流场可压缩性, 空泡的脉动幅度会随时间减弱, 辐射声压幅值随之减小; 空泡在涡流场中会发生延展、 颈缩、 撕裂, 并在撕裂后子空泡中形成射流; 当流场中的压力减小时, 空泡运动过程中的最大半径与撕裂前的最大长度逐渐增加, 且当流场中压力较小时, 空泡撕裂时形成的子空泡增多; 空泡辐射声压的指向性较弱, 撕裂会使辐射声压产生突变, 形成极大峰值; 随着涡通量的增大或空泡数的减小, 空泡脉动周期及其诱导的辐射声压波动周期随之延长, 辐射声压峰值逐渐滞后并减小. 本文结果旨在为涡流场中空泡运动规律及声辐射特性的相关研究提供参考. 关键词： 可压缩 涡流场 空泡 声辐射     

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。     

耦合双泡声空化特性的理论研究

当双泡中心间距足够小时,由于气泡间辐射压力波的存在,作用在气泡上的压力不等于外部驱动压力.通过考虑双泡之间的辐射压力波,利用改进的Keller-Miksis方程,分别计算了不同大小、不同间距、含不同惰性气体的双泡在声空化过程中半径的变化、次Bjerknes力的变化和双泡内温度的变化.计算结果表明,当双泡大小不同时,小气泡受到的抑制作用较强,温度变化也比较大.随着双泡间距离从100μm增大到1 cm时,气泡间的次Bjerknes力的数量级从10~(-4)N减小到10~(-8)N.含不同惰性气体的耦合双泡在回弹阶段表现出明显不同的振荡规律.     

一种声驻波演示装置

驻波是一种重要的波的干涉现象.两个振幅相同的相干波,在同一直线上,沿相反方向传播时,叠加后成为驻波.在波形上,驻波的波节和波腹的位置始终是不变的,给人"驻立不动"的印象,但它的瞬时值是随时间而改变的.声音是一种可以听得到,却摸不着的物质,新设计的一种声驻波演示装置可以让声音跳起舞来,通过泡沫球的形态变化来观赏活泼跳跃的...     

等截面驻波管内大振幅驻波场的实验研究

通过改进等截面驻波管实验系统,在1阶峰值共振频率激励下获得了182.1 dB大振幅驻波场,并对1~5阶峰值共振频率激励下的大振幅驻波场谐波饱和情况以及波形畸变进行了实验研究。研究发现,尽管1阶峰值共振频率激励下声压级已达到182.1 dB,但波形畸变最小,谐波并未表现出饱和现象,而3阶峰值共振频率激励下的大振幅驻波场表现出了饱和趋势。对谷值共振频率激励下获得的大振幅驻波场进行对比实验研究,发现谷值共振频率激励下,1阶谷值共振频率所获得的驻波场声压级最大,但波形畸变也最大。在相同声源驱动电压下,1阶峰值共振频率激励下获得的驻波场声压级始终大于1阶谷值共振频率激励下获得的驻波场声压级。由此可见,利用扬声器在等截面驻波管中获取大振幅驻波场,驻波管由1阶峰值共振频率激励较为合适。     

厚透镜近似下激光驻波场中原子动力学研究

研究了在厚透镜近似下 ,原子在激光驻波场中的动力学行为 .通过直接演化一维薛定谔方程 ,发现当激光的强度较大时 ,原子束将会聚焦形成几个焦点 .如果激光的强度更大 ,驻波场中的原子将会出现一种“隧道”现象 ,此时 ,原子受一些实验参数 (如焦平面位置、激光强度等 )的影响程度将大大降低 .这种现象有利于提高原子在驻波场中聚焦沉积的效果 . The dynamics of atoms in laser standing wave (SW) in the regime of over-focused immersion-lens is studied. Through directly evolving a one-dimensional Schrdinger equation, we find that multiple focusing appears when laser intensity is larger than that required for simple focusing. If laser intensity is much higher than that for the single focusing, a "channeling" phenomenon appears, which is insensitive to the variation of some parameters, such as focal plane position and laser intensity...     

驻波场中相位迟后的偶极力

计算了二能级原子在一个驻波场中的辐射压力，给出了在不对空间平均时的辐射压力的普遍表达式，指出辐射压力的零级项应应于受激压力，而一级项对应于偶极力，高队项则可忽略。文中详细地计算了各种不同情况下的偶极力和相位，指出对于不同速度，相位有不同的迟后，这样的结果将严重地影响原子在驻波场中的动力学，用光子再分配模型简单地对有力的相位随速度的变化作了解释。     

驻波场中囚禁于Paul阱中的单个离子的内部动力学特性的研究

利用含时多量子非线性Ｊａｙｎｅｓ－Ｃｕｍｍｉｎｇｓ模型时办禁子Ｐａｕｌ阱中在驻波场作用下单个离了的动力学行为作了一个完备的描述,工研究了它的含时因素及非线性特性对其动力学行为的影响,它于精确测量和控制Ｐａｕｌ阱的单个离子的运动具有重要的意义。     

零阶Bessel驻波场中任意粒子声辐射力和力矩的Born近似

声辐射力和声辐射力矩的计算是实现粒子精准操控的重要基础.基于经典声散射理论的偏波级数展开法较难直接用于复杂模型的研究,而纯数值的方法则不利于进行系统的参数化分析.基于Born近似的基本原理,推导了低频情况下零阶Bessel驻波场中心任意粒子的声辐射力和力矩表达式.在此基础上,以球形粒子、椭球形粒子和柱形粒子为例进行详细地计算,并考虑声参数的非均匀性对声辐射力和力矩的影响.仿真结果表明,在低频范围内Born近似具有很高的精度,随着频率的增加和粒子与流体的阻抗匹配变差,Born近似的精度逐渐下降.对于倾斜放置于零阶Bessel驻波场中的椭球形粒子和柱形粒子,非对称性会导致其受到声辐射力矩的作用.在粒子尺寸远小于波长的情况下,声辐射力特性与粒子的具体形状几乎无关,但声辐射力矩不然.最后,引入周围流体的黏滞效应并对声辐射力的表达式进行了修正.该研究预期可以为生物医学、材料科学等领域利用驻波场声镊子实现微小粒子的精准操控提供一定的理论指导.     

囚禁粒子在热库型驻波场中的量子相干特性

研究囚禁粒子与热库型(热辐射)驻波场的相互作用,通过外加驱动场,分析置于热库型驻波场中的囚禁粒子约化密度算符非对角元的时间演化,得到囚禁粒子在热库型驻波场中的相干特性.当外加驱动场的时间演化满足一定条件时,可保持囚禁粒子的相干性.     

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     

声场与电场作用下空化泡的动力学特性

以液体为工作介质, 利用空化泡的RP控制方程, 模拟分析了无量纲化的电场频率、场强的幅值以及无量纲化的声波频率、 声压幅值的变化对空化泡运动特性的影响. 结果表明: 声场和电场联合作用时, 空化泡运动处于混沌区域范围远高于两者单独作用下空化泡的混沌区域范围. 这不仅对声空化的进一步研究具有重要的理论意义, 而且对于提高和改进空化降解有机污染物的技术也具有指导意义.     

驻波声场中单分散细颗粒的相互作用特性

利用外加声场促进悬浮在气相中的细颗粒发生相互作用,进而引起颗粒的碰撞和凝并,使得颗粒平均粒径增大、数目浓度降低,是控制细颗粒排放的重要技术途径.为探究驻波声场中单分散细颗粒的相互作用,建立包含曳力、重力、声尾流效应的颗粒相互作用模型,采用四阶经典龙格-库塔算法和二阶隐式亚当斯插值算法对模型进行求解.将数值模拟得到的颗粒声波夹带速度和相互作用过程与相应的解析解和实验结果进行对比,验证模型的准确性.进而研究颗粒初始条件和直径对相互作用特性的影响.结果表明,初始时刻颗粒中心连线越接近声波波动方向、颗粒位置越接近波腹点,颗粒间的声尾流效应就越强,颗粒发生碰撞所需要的时间就越短.研究还发现,颗粒直径对颗粒相互作用的影响取决于初始时刻颗粒中心连线偏离声波波动方向的程度.当偏离较小时,颗粒直径越大,颗粒发生碰撞所需要的时间越短;当偏离很大时,直径较小的颗粒能够发生碰撞,而直径较大的颗粒则无法发生碰撞.     

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     

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．     

沟道效应作用下中性原子在激光驻波场中的沉积特性研究

基于半经典理论,建立了中性原子与激光驻波场相互作用的模型,分析了中性原子在激光驻波场沟道效应作用下运动轨迹及沉积特性,探讨了球差、色差和原子束发散角对沉积条纹的影响. 得到了上述三种影响因素下纳米光栅的半高宽分别为0.532,12.16,96.70 nm. 仿真结果表明,随着原子束发散角度的增加,沉积条纹的对比度将会下降,当原子束发散角分别为0.1 mard时,其对比度为85.2：1,发散角为0.3 mrad时,条纹对比度为5.33：1,而当发散角增加至0.5 mrad以上时,沉积条纹将会出现分裂现象,导致条纹的恶化. 关键词： 激光驻波场 纳米光栅 沟道效应     

振幅相位调制驻波光场中冷却原子的动力学局域

分析了二能级原子在振幅相位调制驻波场作用下动量扩散模型,这是一个双频参数激励的非线性量子单摆模型。这个系统在经典极限下表现混沌行为,在相同参数条件下,这个系统具有动力学局域特征,具有两个不可约频率扰动的系统的局域长度要比单个频率扰动时大得多。     

超声驻波波面的激光相关成像

本文利用傅氏光学概念分析激光通过声驻波后的远场光场,不但被分解成空间频谱,而且在空间频谱中又有时间频谱。以此为依据,分析了超声驻波成稳定像的原理和过程:通过时间互相关过程,得出不同空间频谱中同时间频率光的非零相关值;再由不同时间频率的非相干光进行强度线性叠加,最后形成超声驻波波面的稳定像。从而澄清了声驻波成像中的一些理论上的混淆,找到了成像的新途径,实验上也得到了证实。     

空化单气泡外围压强分布

关键词：     

Numerical simulations of stable cavitation bubble generation and primary Bjerknes forces in a three-dimensional nonlinear phased array focused ultrasound field

We present a model developed for studying the generation of stable cavitation bubbles and their motion in a three-dimensional volume of liquid with axial symmetry under the effect of finite-amplitude phased array focused ultrasound. The density of bubbles per unit volume is determined by a nonlinear law which is a threshold-dependent function of the negative acoustic pressure reached in the liquid, in which nuclei are initially distributed. The nonlinear mutual interaction of ultrasound and bubble oscillations is modeled by a nonlinear coupled differential system formed by the wave and a Rayleigh-Plesset equations, for which both the pressure and the bubble oscillation variables are unknown. The system, which accounts for nonlinearity, dispersion, and attenuation due to the bubbles, is solved by numerical approximations. The nonlinear acoustic pressure field is then used to evaluate the primary Bjerknes force field and to predict the subsequent motion of bubbles. In order to illustrate the procedure, a medium-high and a low ultrasonic frequency configurations are assumed. Simulation results show where bubbles are generated, the nonlinear effects they have on ultrasound, and where they are relocated. Despite many physical restrictions and thanks to its particularities (two nonlinear coupled fields, bubble generation, bubble motion), the numerical model used in this work gives results that show qualitative coherence with data observed experimentally in the framework of stable cavitation and suggest their usefulness in some application contexts.