超声空化引起界面湍动促进的传质机理

本文分析了超声空化引起界面湍动对传质过程的影响,提出了相界面上超声空化气泡析出增强边界层液体湍动并促进传质的机理,在传质理论和流体动力学原理的基础上,建立了超声空化引起界面湍动促进的传质机理模型,获得了超声空化引起界面湍动促进的传质系数表达式。实验结果验证了模型的合理性。该模型既证实了超声对传质有强化效应,又对传质过程有很好的预测功能,为工业化提供了理论依据。     

曲面固壁附近空化泡溃灭动力学的 流体体积数值研究*

流体体积法(VOF)可以便捷、高效地实现对多相流界面的捕捉和追踪。本文基于VOF方法,对单个空化泡在曲面固壁附近的运动进行了数值模拟,从实验对比、压力场、速度场、温度场演化、溃灭时间、射流速度、固壁温度等方面分析了空化泡溃灭过程的热动力学影响。结果表明,数值模拟得到的空化泡形态演化与实验观测到的现象一致,随着位置参数、泡内外压差及曲面固壁尺寸的改变,空化泡热动力学行为也将发生变化,受到流体运动及射流冲击的影响,溃灭瞬间产生的高温高压使得曲面固壁温度升高。本文研究的曲面固壁附近空化泡溃灭效应,揭示了空化泡与曲面固壁间的相互作用规律,对学术研究及工程应用都具有重要意义。     

增强超声空化效应的一个途径─—给空化声场一个随机微扰

在早期以声致发光和输入电功率之间关系的实验研究基础上，提出了给空化声场施加一个随机扰动，以提高高空化声场中声化学产额的动力学方法。对Ｎｏｌｔｉｎｇｋ－ｎｅｐｐｉｒａｓ方程进行了修正，增加了一个表征微扰的非线性项Ｆ‘（Ｒ０／ρＲ。并论述了如何在实验上实现从动力学角度增加声化学产额的途径。     

超声对近壁微气泡溃灭过程的影响

近壁微气泡溃灭特性的深入研究对靶向给药和基因治疗等技术具有较好的指导作用。该文基于数值模拟技术,采用有限体积法结合流体体积模型对超声作用下的近壁微气泡溃灭特性进行了研究,分析了超声对近壁微气泡溃灭动力学过程的影响。结果表明气泡溃灭最大射流速度与近壁距离无量纲参数γ在1.1～1.6范围内时成正比,与超声频率在10～60 Hz范围内时成正比,与气泡初始半径在50～100μm范围内时成反比;近壁气泡的二次溃灭最大射流速度大于一次溃灭,二次溃灭的作用更加明显。超声参数对近壁气泡溃灭过程存在较大影响,该研究为超声在医学上的应用提供了依据。     

激光空泡在刚性壁面附近空蚀特性

采用脉冲激光聚焦于透明液体中产生单个激光空泡,利用高速相机拍摄空泡在透明液体中整个运动过程,并对刚性壁面造成的空蚀现象进行了观测。实验研究发现,空泡溃灭将产生高速冲击波和高速射流,这是造成刚性壁面损伤的两种主要原因。空泡与刚性壁面的无量纲距离在0.4~1.4之间时,刚性壁面首先受到高速冲击波的破坏,由于空泡的趋壁效应,空泡在第二次收缩过程中将在壁面附近对实验靶材产生高速微射流的空蚀破坏。且这两种作用机制在无量纲距离为1.0时,高速微射流对壁面的空蚀效果更加明显。     

激光空泡在刚性壁面附近空蚀特性

采用脉冲激光聚焦于透明液体中产生单个激光空泡,利用高速相机拍摄空泡在透明液体中整个运动过程,并对刚性壁面造成的空蚀现象进行了观测.实验研究发现,空泡溃灭将产生高速冲击波和高速射流,这是造成刚性壁面损伤的两种主要原因.空泡与刚性壁面的无量纲距离在0.4～1.4之同时,刚性壁面首先受到高速冲击波的破坏,由于空泡的趋壁效应,空泡在第二次收缩过程中将在壁面附近对实验靶材产生高速微射流的空蚀破坏.且这两种作用机制在无量纲距离为1.0时,高速微射流对壁面的空蚀效果更加明显.     

双泡超声空化计算分析

将由速度势叠加原理得到的双泡超声空化动力学微分方程归一化,通过matlab语言编程计算,分析了水中空化泡的线度、双泡间距、声压幅值、声波频率等因素对空化过程的影响. 在双泡超声空化动力学微分方程中引入双频超声,探讨了双泡双频超声问题. 研究表明泡的线度是决定空化特性的主要因素,声压幅值对空化特性的影响最大,其次是超声波的频率;双泡间的相互作用影响空化特性,这种影响随双泡间距的增大而减弱;双频超声对双泡空化特性的影响有限,这种影响在两超声分量的声压幅值相等时较强. 关键词： 超声空化 双泡 双频超声     

超声空化与声致发光

自然界中空化现象非常有趣。比如,有一种虾(叫卡达虾或枪虾)在遇到危险时,通过快速夹虾螯,发出声响以期吓退猎食者。这种声响有时很大,甚至大到扰乱水下声纳监听潜艇信号。这么大的声响不是虾螯互相碰撞发出的,而是虾螯闭合过程产生的微气泡发出的(图1)。如果学过流体的伯努利原理,我们知道流体快速流动导致压强降低,这也是飞机能飞的道理。快速夹螯,令其周围压强下降,微气泡自然膨胀。     

脉冲超声激励下SonoVue微泡的瞬态空化特性

将SonoVue微泡从临床疾病诊断拓展至治疗引起了诸多研究人员的兴趣。为了平衡治疗效率和生物安全性,深入理解声学参数和SonoVue微泡瞬态空化的关系至关重要。本研究自行制备仿体容器放置SonoVue微泡,使用1 MHz发射换能器激励其产生空化效应,另一个7.5 MHz的聚焦换能器接收声信号,经放大及高速数据采集后送上位机处理。通过深入分析信号的时频域特征,我们提出以宽带信号的能量及其随时间变化曲线的半高宽来表征瞬态空化的剂量(ICD)和相对持续时间(ICP),并确定:瞬态空化的发生和ICD依赖于峰值负声压,但ICP随峰值负声压的增加而减小;脉冲重复频率和脉冲持续时间都和ICD及ICP正相关;且脉冲持续时间的影响较大。这些结果有望为SonoVue微泡的治疗应用提供理论支持。     

亚临界水中超声激励空化泡动力学分析

考察亚临界水中压力和温度对超声空化泡动力学的影响。应用非线性Rayleigh-Plesset方程模拟空化泡运动过程,并利用Matlab软件编程求数值解,用碘量法测定超声在亚临界水中的声空化产额。结果表明:当亚临界水的压力相似文献   

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     

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。     

Collapsing dynamics of a laser-induced cavitation bubble near the edge of a rigid wall

In the present paper, the collapsing dynamics of a laser-induced cavitation bubble near the edge of a rigid wall is experimentally investigated with a high-speed photography system. For a symmetrical setup, the two primary control parameters of the bubble collapsing behavior include the equivalent maximum bubble radius and the distance between the bubble and the edge of the rigid wall. Based on the bubble interface deformation during the collapsing process, three typical cases are identified for the categorization of the phenomenon with the influences of the parameters revealed. Through a quantitative analysis of the obtained high-speed photos, the motions of the bubble interface in different directions are given together with the calculations of the bubble centroid. The primary findings of the present paper could be summarized in terms of the bubble-edge distance as follows. When the bubble is close to the edge, the movement of the bubble interface near the edge will be restricted with a clear neck formation in the middle part of the bubble. For this case, the edge could delay the bubble collapsing time up to 22% of the Rayleigh collapsing time. When the bubble is of the medium distance to the edge, the differences of the expansion or shrinkage of the bubble interface among different directions will be reduced with an olive-shaped bubble formed during the collapsing process. For this range of parameters, the bubble moves rapidly toward the edge especially during the final collapsing stage. When the bubble is far away from the edge, the bubble will be a nearly spherical one.     

近复杂几何固壁空泡溃灭的伪势格子Boltzmann建模*

格子Boltzmann方法伪势多相模型具有高效性和复杂几何边界实施的简易性。该文采用改进作用力的伪势多相模型,通过优化参数实现最大程度的热力学一致性,进而提高模型的密度比和稳定性。分别从伪速度、网格不变性、Young-Laplace验证等方面研究了改进模型的性能。通过改进的模型模拟了复杂几何固壁附近空泡溃灭过程。分析了空化泡溃灭阶段的密度场、压力场和速度场演化过程,以及复杂几何固壁附近的空泡动力学特性。结果表明伪势格子Boltzmann方法在探索空泡溃灭和复杂几何固壁间的相互作用规律研究中是一种有效的工具。     

Spatial-temporal dynamics of cavitation bubble clouds in 1.2 MHz focused ultrasound field

Cavitation bubbles have been recognized as being essential to many applications of ultrasound. Temporal evolution and spatial distribution of cavitation bubble clouds induced by a focused ultrasound transducer of 1.2 MHz center frequency are investigated by high-speed photography. It is revealed that at a total acoustic power of 72 W the cavitation bubble cloud first emerges in the focal region where cavitation bubbles are observed to generate, grow, merge and collapse during the initial 600 μs. The bubble cloud then grows upward to the post-focal region, and finally becomes visible in the pre-focal region. The structure of the final bubble cloud is characterized by regional distribution of cavitation bubbles in the ultrasound field. The cavitation bubble cloud structure remains stable when the acoustic power is increased from 25 W to 107 W, but it changes to a more violent form when the acoustic power is further increased to 175 W.     

上浮气泡在壁面处的弹跳特性研究

本文针对毫米量级的上浮气泡在壁面处的弹跳现象进行数值研究.基于势流方法求解气泡的运动,同时考虑气泡的表面张力作用.在伯努利方程中,对气泡与壁面之间水膜中因黏性引起的压力梯度进行修正,开发相应的计算程序,计算值与实验值符合良好.从气泡弹跳的基本现象入手,研究了特征参数对气泡弹跳过程的动态特性以及最终平衡形态的影响.发现随着泡在撞击壁面之前上浮距离增大,气泡回弹距离和弹跳周期增加,但是当上浮距离增加到一定程度后将不会影响气泡的弹跳特性;表面张力是影响气泡弹跳特性的重要因素,气泡的弹跳周期随其增大逐渐减小,但回弹距离却呈现先增后减的规律;最后,影响气泡最终平衡形态的主要因素是气泡的浮力参数与韦伯数.     

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     

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.