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.     

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。     

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     

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。     

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。     

激光空泡刚性半球面内运动

采用甚高速照相技术与建立激光空泡在刚性半球壁面内的运动模型相结合的方法,确定了激光空泡在刚性半球面壁内的运动特性与无量纲距离的关系,提出了最佳无量纲距离概念。结果表明:半球反射面的半径与激光空泡最大半径之比小于1.1时,激光空泡在第1次膨胀时就会产生严重的变形并弹出半球面,并产生空化泡和空蚀,它们均会严重影响激光声的传播。该比值在1.1~3.3时,激光空泡将在第3次收缩之前接触半球面,容易对壁面造成空蚀。在该比值大于3.3的情况下,激光空泡在第3次收缩之前不会接触半球面,对激光声的传播和反射特性影响较小。如果考虑把空泡第1次溃灭时产生的激光声的声学中心控制在击穿点时,需要把该比值控制在5以上。     

激光空泡刚性半球面内运动

采用甚高速照相技术与建立激光空泡在刚性半球壁面内的运动模型相结合的方法,确定了激光空泡在刚性半球面壁内的运动特性与无量纲距离的关系,提出了最佳无量纲距离概念。结果表明：半球反射面的半径与激光空泡最大半径之比小于1.1时,激光空泡在第1次膨胀时就会产生严重的变形并弹出半球面,并产生空化泡和空蚀,它们均会严重影响激光声的传播。该比值在1.1～3.3时,激光空泡将在第3次收缩之前接触半球面,容易对壁面造成空蚀。在该比值大于3.3的情况下,激光空泡在第3次收缩之前不会接触半球面,对激光声的传播和反射特性影响较小。如果考虑把空泡第1次溃灭时产生的激光声的声学中心控制在击穿点时,需要把该比值控制在5以上。     

固体壁面附近激光空泡的动力学特性研究

关键词：     

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。     

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 impact on nearby solid boundary during laser-generated bubble collapse

Cavitation damage has been considered as being responsible for many effects in hydraulic machinery and biological medicine. In order to better understand the cavity interaction with nearby solid surfaces, the impact loading induced by the high-speed liquid-jet and subsequent jet flow during the final stage of the bubble collapse in a static fluid is investigated by focusing a Q-switched pulsed laser into water. By means of a new method based on a fibre-coupling optical beam deflection technique, a detailed experimental study has been made to clarify the relationship of the impact pressure against a solid boundary as a function of the dimensionless γ that is generally used to describe the bubble dynamics with its definition γ= s/R_{max}(R_{max} being the maximum bubble radius and s denoting the distance of the cavity inception from the boundary). The experimental results are shown that for γ in the range of about 0.67 to 0.95 with a pulsed laser energy 230mJ, the transient pressure applied on the solid surface is maximum; while for γ>1 or γ<0.67, it is gradually decreased. By combination of our experimental results with the other work that detected the acoustic emission during the bubble collapse at different γ, it is concluded that in this range of 0.67－0.95, the destructive effect due to a liquid-jet and the following jet flow impact actually outweighs the well-known effect of shock wave emission and plays a vital role during the cavitation bubble collapse.     

Dynamics and measurement of cavitation bubble

Based on the introduction of international progress, our investigations on acoustic cavitation have been reported. Firstly we considered the cavity’s dynamics under the drive of the asymmetrical acoustic pressure. An aspheric dynamical model was proposed and a new stable and aspheric solution was found in numerical simulation of the theoretical framework of the aspheric model. Then, a dual Mie-scattering technique was developed to measure the cavity’s aspheric pulsation. A significant asynchronous pulsation signal between two Mie-scattering channels was caught in the case of large cavity driven by low acoustic pressure. As a direct deduction, we observed an evidence of cavity’s aspheric pulsation. Furthermore, we studied the dependency of the asynchronous pulsation signal on the various parameters, such as the amplitude and frequency of the driving acoustic pressure, and the surface tension, viscosity and gas concentration of the liquid. Finally, we introduced a new numeric imaging technique to measure the shapes of the periodic pulsation cavities. The time-resolution was in the order of 20 ns, one order of magnitude lower than that in the previous work, say, 200 ns.     

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     

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.