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基于超声空化的振动边界作用流场的数值模拟

沈灵  
【摘要】:由聚焦高频超声换能器产生的超声空化在众多领域都能得到应用,包括医学治疗、工业清洗及污水处理等。超声空化在现代医学,尤其是肿瘤治疗中的应用,是这方面研究的前沿。超声(高频振动)诱导的空化流场中存在的高度非线性问题加大了理论分析和数值计算的难度。 本论文利用计算流体力学方法,完成了低频和高频振动边界作用流场各主要参数分布情况的数值模拟。建立了三种振动模式模型,分别为活塞式往复振动、薄膜式变形振动和球面聚焦式变形振动,求解三种边界运动引起的流场分布及变化。模拟了低频(10Hz-100Hz)振动和高频(1MHz)聚焦振动两种作用形式,其中低频为机械振动,使用流体体积函数(VOF)模型,高频模拟基于超声声源振动,计算域使用空化模型。 对于频率在10Hz到100Hz范围的低频振动,模拟并比较了不同振幅和不同振动频率的动边界对周围液体流动的不同影响,分析得到了流场的压力、速度分布。自行设计和搭建了低频机械振动实验台,并在此基础上进行了荧光示踪粒子测速(PIV)实验,将实验所得速度场结果与数值模拟结果对比,验证了数值计算结果的有效性以及数值计算方法,即动网格法的可靠性。而后将计算模型振动频率提高为高频,且采用聚焦球面振动模型,模拟了聚焦超声换能器作用流场的流动。计算结果包括了相应的压力、速度和空化参数分布,讨论了流场中不同截面上参数分布的特征和规律,分析得到了关于聚焦效果和空化初生的评估,基于分析结果的结论对机理性实验和临床有一定的指导意义。


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