超声空化作用原理及意义

1895年，Thormycuft和Bamaby观察到潜水艇螺旋桨凹陷被侵蚀时发表了第一个关于超声空化的研究历程及展望#龙正，刘秀梅**（中国矿业大学机电工程学院，徐州221000）510152025303540摘要：超声空化是工业设备中广泛存在的一种流体力学现象。随着超声技术应用广泛而迅速的发展，整整一个世纪来，超声空化成了经久不衰的研究课题，特别近十年来，超声空化成了多种学科的基础研究热点。在超声空化研究方面，国内外已有大量的实验、理论及数值计算的相关研究。综述了超声空化研究中理论、数值分析、实验三方面的研究现状及研究进展，总结了空化研究中存在的问题，提出了今后超声空化的发展方向。关键词：超声空化；空泡；高速摄影；动力学特性中图分类号：O427.4TheresearchprocessandprospectofultrasoniccavitationLONGZheng,LIUXiumei(MechanicalandelectricalEngineeringSchool,ChinaUnivisityofMiningandTechnology221000)Abstract:Ultrasoniccavitationisawidespreadphenomenonofafluidisinindustrialequipmentparticularly.Withextensiveandrapiddevelopmentofultrasonictechnique,ultrasoniccavitionhasbecomealastingimportantresearchprojectinthiscentury,especiallyahot-spotofmulti-subjectreseachforthelastdecade.Therearenumberofstudieshavebeendonebyexperiment,theoryandnumericalinabroad.Abriefreviewofacousticcavitationisgiven,whichincludestheoretical,numericalanalysis,experimentalstudied.Theproblemincavitationandbubbledynamicsisintroduced,andfutureresearchdirectionofultrasoniccavitationisalsodicussed.Keywords:Ultrasoniccavitation；bubble；images；dynamics0引言随着现代科学技术的发展，人们对超声的关注和研究也随之变得日趋重要。目前的研究表明，所有与液体相关的超声处理技术都是利用超声空化作为动力的。所谓超声空化，就是指在超声作用下液态物质中的微小气泡随超声频率发生迅速、重复地生长-闭合－破灭运动以及由此产生的一系列物理效应。由于超声空化现象非常复杂，研究内容涉及声学、化学、光学、流体力学等多门学科，而且在实际中不可能把空化效应和机械效应、光电效应等分离开来，所以时至今日，人们对超声空化这一现象仍然不是十分了解。然而由于空化引发的物理、化学、生物等效应又具有相当特异的性质，而这些性质具有重要的理论价值和巨大应用潜力。比如，空化泡的溃灭会在空泡周围极小的空间内产生微射流，并对外辐射空化噪声。空泡溃灭时产生的高温高压可用于清洗、切割、破碎物件，改善材料表面性能、过程强化等方面。因此，超声空化已成为当前研究的热点。下面对超声空化从理论分析、数值计算和实验研究三个方面进行简单的论述。1理论分析[1]空化的报告。自此以后，空化逐渐走进人们的视野，但未引起人们足够的关注。直到1917基金项目：中国博士后科学基金特别资助项目（201003609）;中国博士后科学基金面上项目（20090461156）;江苏省博士后科研资助计划（1001003A）；中央高校基本科研业务费专项资金（2010QNA23）作者简介：龙正（1990-），男，在校研究生，研究方向：超声空化，空蚀通信联系人：刘秀梅（1982-），女，副教授，空化空蚀，磁流变液.E-mail:[e-mail]-1-年Rayleigh提出了无限大不可压缩液体中空化气泡核的崩溃模型，实现了对空化气泡理论和A.L.Loominse发现了超声的化学效应就是向人们敞开了一扇门。他们首次研究了超声波种类气体的化学反应得到声致发光前后空泡的峰值温度。国内王萍辉研究了液体物理参数、声场参数、环境压力等各种因素对超声空化的影响,李争彩等应用Matlab语言对影响鉴于超声空化在工业上应用环境的不同，沈壮志等采用数值模拟的方法对文丘里管反在发现空化现象以后，许多学者对空化动力学问题进行了研究。1917年Rayleigh[2]研究的重大突破。如果说该模型的提出是向人们打开了一扇窗，那么1927年的W.T.Richards[3]对固体、液体、溶液的作用，同一年,A.L.Loominse指出超声在化学、生物方面可以加快反4550应速率，使得超声真正地获得了各界的关注。Porisky[4]考虑到液体粘性对球形空泡的膨胀和压缩过程，发现液体的黏性会延缓空泡的压缩和膨胀。Wu和Roberts[5]采用无耗散、绝热模型得到了空泡的溃灭峰值温度。Toegel和Lohse[6]考虑热交换、水蒸气的相变、空泡中不同[7][8]超声空化的各种液体物理参数及声场参数等进行了数值模拟，进一步分析了空化泡崩溃时间与崩溃时泡内最高温度和最大压力的关系。[9]应器中空化泡在不同声场作用下的动力学行为特性进行了研究，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55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。孔为等[10]研究了钢液内超声空化气泡的运动过程，并用四阶龙格库塔法和matlab来模拟超声声压幅值、频率等变化对刚液内空化气泡运动过程的影响。邵志文等[11]研究了不同超声条件下镁合金熔体中空化泡行为，并且探讨了声压幅值和熔体主体温度对空化泡崩溃时的泡内温度和压力的影响，得出了较低的超声频率和熔体主体温度、较高的声压幅值以及小于或等于共振尺寸的空化泡初始平606570衡半径有利于超声空化效应。在双气泡方面，1971年Shima[12]首次对水中两个球形空泡的震荡进行了研究，导出了不可压缩流体中两个球形气体空泡的控制方程，得出了两个空泡的固有频率。Fujikawa和Takahira[13]研究了可压缩流体中两个气体空泡之间的相互作用以及它们所辐射出的压力波。戚定满等[14]应用边界元法研究了两个相邻空泡的运动特性，得出了空泡的演化规律。梁柱等[15]对固液两相流中两个空泡的溃灭过程进行了研究，指出空泡间的相互作用将使最大溃灭压力升高。对空泡群进行理论分析时涉及到采用空泡群的处理模型问题[16]。VanWijingaarden[17]采用连续介质模型分析了一平壁附近大量空泡的溃灭过程，发现由于空泡间的相互作用使得作用在壁面上的压力明显增大。Smereka等[18]采用动力系统分析法研究了周期性驱动下的空泡群的非线形行为，认为空泡群震荡是一个复杂的分叉系统和奇异吸引子。国内黄建波等基于能量传递理论，应用分层溃灭模型计算水翼上空泡群的溃灭压力，结果表明以冲击波传播方式表现出来的空泡间相互作用使最后溃灭的空泡产生的辐射压力提高了几个量级。2数值分析[19]首7580先提出了无限大不可压缩液体中空化气泡核的崩溃模型，在不考虑液体表面张力和粘滞性的条件下，Rayleigh提出了著名的理想球形气泡的运动方程式,并且得到了关于气泡壁速度和崩溃时间的解。利用Rayleigh方程进行空泡溃灭的研究，在气泡半径较大时，得到的结果具有一定的准确性，当空泡溃灭至很小的半径时，由于没有考虑空泡内的含气量及气体种类、液体的表面张力、粘滞性和可压缩性等因素的影响，导致了许多不合理的结果。在随后的时间里，包括Plesset[20],Noltingk,Neppiras[21],Poritsky[22],Cole[23]和Gilmore[24]等人做了一系列-2-在双气泡方面，李光等首次建立了完整的双气泡相群平衡模型，获得了气泡尺寸体积对非牛顿幂律流体中平行上升双气泡间相互作用在固壁上的压强。张阿漫等的工作，从不同角度修正了Rayleigh方程，得到了考虑不同因素的气泡运动方程。刘向远等[25]在以上方程的基础上应用范德瓦耳斯方程和实际气体的绝热方程，修正了方程，得到了实际气体的单泡空化动力学方程，分析了实际气体条件下，范德瓦耳斯常数、对单泡超声稳态空化、瞬态空化动力学过程的影响。859095100以往对空泡溃灭的理论分析均建立在球形溃灭假设的基础之上，但是实际的空泡并不是球形的，因此，球形溃灭的假设是不准确的，应该进行修正和改良。Gibson和Blake[26]用变分法将问题转化为近似的积分方程，研究气泡在固壁面及自由面附近的溃灭情形。Lundergren和Mansour[27]将气泡溃灭分成两阶段来考虑，气泡由开始的状态到其上下表面在一起为第一阶段，利用一般的边界元方法进行处理；接下来的阶段为第二阶段，他们引进了一条涡线，这样既使空泡溃灭的计算得以延续，又模拟了空泡溃灭后期产生的涡流现象。Best[28]采取类似的方法来模拟空泡溃灭后期的运动，数值计算出气泡的反弹现象。而后Zhang,DuncanH和Chanine[29]利用修正的普通边界元方法及高阶边界元方法计算了空泡溃灭的整个过程，将空泡的上下表面的重合部分的影响考虑了进去，这样能将空泡的溃灭过程连续模拟出来，计算的结果与实验现象非常吻合。国内学者还采用振子模型对单泡的声致发光动力学特性进行了研究。钱梦騄等[30]同时运用能量守恒定律导出了不可压缩、弱粘滞流体中纯径向振动气泡的R-P方程，并对崩溃相气泡的聚能效应做了讨论。对于非若弱滞流体方面，许文林等[31]考虑液相的动力粘度、表面张力和溶剂的蒸气压对空化泡运动特性的影响，建立了超声作用于均相液体中空化泡运动的动力学模型，为超声的空化效应在化工过程中的研究和应用提供了基础理论依据。[32]概率、大小气泡相尺寸等分布。蒲中奇等[33]建立了双空泡溃灭时流体中的声辐射模型，并通过数值计算说明了空泡间的相互作用使空泡的溃灭过程变缓。卢义刚等[34]对双泡超声空化进行了研究分析，分析了水中空化泡的线度、双泡间距、声压幅值等因素对空化过程的影响，得到了超声作用下双泡动力学方程。姜韶堃等[35]105作用进行了模拟研究。研究表明:剪切变稀效应及气泡周围流场结构对气泡间相互作用的贡献分别随着气泡间距增大而减小，气泡间相互作用主要受气泡间流体涡旋结构控制。在气泡群方面，早在1989年，黄建波[36]就分析和研究了空泡群在二维压缩流场中的溃灭过程及其[37]假设气泡周围流场为理想流体，建立了气泡群相互作用的三维数值模型，通过研究发现位于多气泡中心的气泡运动变化缓慢，相对较稳定，最先形成110射流的往往是外侧和边缘的气泡，气泡的周期随两气泡中心的距离的减小而增大，异相气泡尤为明显[38]。而张淑君等[39]研究了三维气泡群的上升过程及其对周围流场的扰动。得到在气泡群上升过程中，气泡分布经历由规则到扇形体再到随机的过程。现阶段对于空化气泡的数值分析方尚不全面，部分研究成果需要得到相关实验和工程实践的检验。1151203实验研究为了直观地显示空泡的溃灭过程，科学家们一直在不停的探索着。在影像法研究方面，从六十年代末期已开始利用电离泡、火花泡来做空泡溃灭的实验。但空泡缺乏球对称性仅仅可以用来观察空泡溃灭的大致情形而不能进行定量研究。激光产生气泡的出现使得这方面的研究有了较大的突破。当一束强激光脉冲作用于液体中的一点，使局部的液体电离产生一个等离子区，该等离子区迅速膨胀从而形成一个球形空泡。在激光产生气泡的基础上研究人员-3-的可视化。国际上比较著名的是：