空化双气泡之间的相互作用及气泡形状不稳定性研究

发布时间：2020-08-26 00:49

【摘要】：声波在液体中传播时,在时空上产生压力起伏,出现低于静态压力的负压状态,当液体处于负压状态时,分子间受到较小的压力或者拉力的作用。此时,液体内部原有的结构缺陷(空化核)会逐渐成长,形成肉眼可见的空腔,这些空腔在声波作用下成长、溃灭的现象就是声空化(acoustic cavitation)。声空化是一个古老而又现代的问题,自从发现之后便引起了人们的高度关注,成为声学和物理学研究的热门问题,由于空化气泡的崩溃过程是一个近似绝热的过程,因此产生了高温、高压、发光、微射流等一系列物理现象,而这些空化泡内部的极端物理条件和在其周围液体中出现的强声效应,导致了一系列的物理效应、化学效应和生物效应等,展现出广阔的应用发展前景。虽然超声空化在应用中取得了一系列的成果,但实际上,由于产生超声空化的微气泡的尺度在微米级别,且人们对剧烈振动中气泡内部及周围发生的过程知之甚少从而限制了超声空化的规模化,使得超声空化的应用只停留在实验室阶段,因此,超声空化的基础理论研究对认识、掌控空化现象及超声空化的规模化具有十分重要的意义。然而超声空化现象是大量空化气泡的群体效应,是一个多体问题,而且大量气泡之间存在非常复杂相互作用,因此多气泡空化的理论研究非常困难,而两个气泡是多气泡模型的基础,所以双气泡空化的理论研究对于多气泡空化具有非常重要的意义。基于这个目的本文着重对液体中两个空化泡之间的相互作用及声相互作用下两个气泡的形状不稳定性进行了系统的研究,试图对液体中气泡形成的稳定结构、泡群中气泡的稳定振动及多气泡空化提供理论基础,主要研究内容如下:一、以双气泡在声场中的振动为模型,研究了两个球形气泡之间的次Bjerkens力及影响因素,对一定驱动条件下一定尺寸范围内气泡之间的次Bjerknes力特征及气泡之间形成的稳定气泡结构进行了分析说明。基于微扰理论,考虑了非球形气泡在声场中的形变扰动,推导了非球形气泡和球形气泡之间的次Bjerknes力方程,在非球形气泡能够稳定振动且不因形变而发生破裂的驱动条件下,数值模拟了声场中非球形气泡和球形气泡之间的次Bjerknes力和两个球形气泡之间的次Bjerknes力,并对非球形气泡和球形气泡之间的次Bjerknes力的影响因素进行了分析讨论。研究结果表明:当驱动压力大于非球形气泡的Black阈值且又能使得非球形气泡稳定振动时,在第一个声驱动周期内,非球形气泡和球形气泡之间的次Bjerknes力和两个球形气泡的次Bjerknes力方向差异较大,在大小上是两个球形气泡次Bjerkens力的几倍到几十倍,且有着更长的作用距离。非球形气泡和球形气泡之间的次Bjerknes力取决于非球形气泡的形状模态、两个气泡的相对位置、气泡之间的距离、两个气泡初始半径和驱动压力振幅。二、基于微扰理论研究了两个非球形气泡所组成系统的能量,并基于拉格朗日方程得到了存在声相互作用的两个非球形气泡的径向运动方程和形状不稳定性方程,研究了声场中气泡之间的两种耦合模式对气泡的形状不稳定性和气泡扰动幅度的影响。研究结果表明:声场中具有非球形扰动的两个气泡之间的耦合方式有两种:形状耦合模式和径向耦合模式;气泡之间的耦合方式取决于气泡形状模态:当两个非球形气泡的形状模态相同时,气泡之间的形状耦合模式和径向耦合模式同时存在,当两个气泡的形状模态不相同时,两个气泡之间只存在径向耦合一种耦合方式;气泡之间的形状耦合和径向耦合均能够引起气泡之间相互作用的改变,从而引起单个气泡的形变扰动幅度和形状不稳定性的改变,具体影响因素取决于声场驱动条件、气泡形状模态、相邻气泡的初始半径等因素;形状耦合对单个气泡的扰动幅度和形状不稳定性的影响大于径向耦合对单个气泡形状不稳定性和扰动幅度的影响,一定条件下,两个非球形气泡之间形状耦合和径向耦合的协同作用能够减小单个气泡的形状不稳定性区域,减弱单个气泡塌缩的剧烈程度,增加气泡对抗非球形扰动的能力。
【学位授予单位】：陕西师范大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O427.4
【图文】：

空化气泡,超声场,实验数据,气泡

逦陕西师范大学博士学位论文逡逑的合并，测量由空化气泡合并形成的大气泡的体积改变量ＡＶＶ，大的体积改变量逡逑意味着气泡之间存在较多合并现象，反之，小的体积改变量意味着气泡之间存在逡逑较少的合并现象，通过将图１－３中的实验数据进行对比就能够验证气泡的合并和逡逑矫正扩散过程，因此，空化气泡的初始生长可能通过气泡合并这种方式的推论得逡逑以证实。逡逑

超声发生器,表面活性剂,毛细管,气泡

ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｓｈｏｗｉｎｇ邋ｔｈｅ邋ｖｏｌｕｍｅ邋ｃｈａｎｇｅ邋ｉｎ邋ｗａｔｅｒ邋ａｎｄ邋ｓｕｒｆａｃｔａｎｔ邋ｓｏｌｕｔｉｏｎ邋ａｎｄ邋ｔｈｅ逡逑ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ邋ｃｏａｌｅｓｃｅｎｃｅ邋ｄａｔａ邋ａｒｅ邋ａｌｓｏ邋ｓｈｏｗｎ１２＂１逡逑尽管如此，矫正扩散对气泡的生长仍然做出贡献，实验证据如图１－３中所示，逡逑图１－３是ＳＤＳ溶液实验数据，我们知道表面活性剂能够减少表面张力，减少气泡逡逑之间的合并，因此，在ＳＤＳ溶液中，通过合并引起的气泡的生长将明显减少，则逡逑图１－３中观察到的ＳＤＳ溶液中ＭＢＳＬ气泡初始生长应该主要归于气泡的矫正扩逡逑散。通过上面介绍的实验手段能够证明气泡的生长确实分为矫正扩散和合并两种逡逑方式，而且能够证明在一定数量的声脉冲驱动中，水中气泡的合并和矫正扩散对逡逑于气泡的生长贡献是相等的。逡逑１．３．２气泡内部的温度逡逑气泡内部的温度是空化气泡另一个非常重要的特点，如果假设空化气泡在整逡逑个压缩过程中是绝热的，基于气泡崩溃时的简单的热力学模型，气泡内部温度的逡逑最大值理论上可以通过下面的公式来表示［３７］：逡逑Ｔｍａｘ邋＝邋Ｔ0逦（Ｉ＇Ｄ逡逑４是气泡周围液体的温度，八？是液体的压强（流体静力学压强和声压强之和），逡逑ｙ是气泡内部气体的绝热压缩系数，是气泡体积最大时的压强，通常假设等于液逡逑体的蒸汽压强

空化气泡,图底,脉冲,闭合时间

如：激光衍射１３３］，主动空化探测［３４］和相位－多普勒效应［３５］等，在这里，相对简单逡逑的实验方法是脉冲多泡声致发光［３６］，这种方法是利用脉冲间隔中超声“停止”时逡逑间内空化气泡的溶解来监测气泡的尺寸，如图１－４所示，在脉冲“出现”时间，逡逑空化气泡生长，在脉冲“停止”时间内气泡溶解，在一个给定的循环中，近似的逡逑多泡声致发光强度如图１－４所示。逡逑从图１－４中可以看出当脉冲的“停止”时间从１２邋ｍｓ增加到２００邋ｍｓ时，平均逡逑ＭＢＳＬ强度并不会发生明显改变，尽管如此，超出这个范围之外，ＭＢＳＬ强度减逡逑小，当脉冲超出２９０邋ｍｓ外，ＭＢＳＬ强度几乎接近０，这表明空化气泡群已经到达逡逑一个尺寸范围，这个尺寸范围低于下个脉冲期间声致发光发生所需的气泡尺寸的逡逑临界值。这个临界尺寸可以认为等于泡群的共振尺寸，气泡到达共振尺寸范围后逡逑生长至气泡最大值然后崩溃发光，可以假设气泡尺寸只比这个共振尺寸小一点，逡逑当平均ＭＢＳＬ强度在这个临界脉冲停止时间内到达０时

【参考文献】