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超声双空泡相互作用及运动特性的研究

曹玉叶  
【摘要】:不同于固体内与气体内的声传播,在液体内的声传播中,如果声波强度足够大那么就会出现空化效应,这就是液体中声传播中最具个性的特点。近来,人们关注的焦点是空化效应现象的实验研究以及它的理论分析,所以也为功率超声中诸多的运用打下了良好的基础。许多的因素影响到空化现象的产生,并且出现的许多复杂的非线性现象是空化效应后产生的,这就是空化效应理论研究进程比较缓慢的原因,所以现在对空化效应的研究重点在于试验以及运用的研究。诸如超声的清洗、超声的环保、医学超声、声化学反应、以及超声的处理和超声的治疗等等都属于超声空化效应的应用范畴。最近几年来,人们非常关注的焦点问题是超声剂量问题,这是超声治疗应用以及超声医学中出现的问题。正因为如此,要求我们必须深入的从试验以及理论上对空化效应现象做更进一步的研究。在几年前,Taleyarkhan等人在美国OakRidge国立实验室内进行研究论文时认为发现了核聚变效应,这种效应出现在超声空化场中,一种全新的核聚变反应方式产生了或许一场新的核反应界的革命在未来研究超声空化理论过程中爆发。 本篇文章主要对超声空化现象从理论推导以及数值模拟方面进行了研究,主要做了以下几方面的工作: (1)本文主要从单空化气泡的动力学的理论为出发点,同时考虑了不可压缩以及无限大的液体内存在的空化泡(空化气泡中的气体为理想的自由气体),因为空化泡受到外界某些因素的影响,使得空化泡会出现膨胀或者压缩这两种状态,进而推导得出了单空化气泡的运动方程、振动半径的方程以及自然共振的频率的方程,并且还通过matlab数值计算对单空化气泡运动的机理,振动的情况分别做出了很明确的解释。 (2)继续使用Rayleigh方程的推导方法,推导得出了双空化气泡的运动方程,并且对单双空化气泡的运动方程在理论上进行了比较,得出它们的相同点与不同点。同时用Matlab数值计算的方法计算得出了以下的结论:当空化泡初始的半径以及外界的激励压强相同时,如果超声波的频率越小,那么在液体内导致的超声空化效应就越强;如果外界的激励压强以及超声波的频率相同时,那么空化气泡初始的半径越大就会在液体内引起的超声空化效应就越弱;如果超声波的频率以及空化泡初始的半径一定时,那么外界超声激励压强越小,空化泡的空化效应就越差。 然而对于两个空化泡而言,在其他的参数不变时,随着两空化泡之间的距离L的减小,空化泡溃灭的最小半径就减小,溃灭的时间就延长。以上就说明使空化泡的溃灭过程变的缓慢的原因是空化泡之间的相互作用。如果两个空化泡之间的距离趋近于无穷大(L(?)R1+R2)的时候,那么两个空化泡之间的相互作用就可以忽略并且等效于单空化泡的运动情况。 (3)以声场作用下的两空泡的运动的方程为依据出发,从而得出了两空化泡的振动的位移方程,振动的速度方程、空化泡振动的方程,自然的共振频率,振动的半径。当参数条件不变时,利用matlab数值计算语言对两空化泡的振动的位移、振动的速度方程分别进行了数值模拟计算。从而得出了以下结论:如果两空化泡之间的距离一定时,那么随着时间的推迟,空化泡振动的位移就在声波的周期内振荡复杂直至最后溃灭。然而振动的速度就随着时间的延迟,振动的振幅就越来越大。 空化泡的共振频率随着两空化泡间距离的增大而增大,然而最后趋向于一个定值,那么这个值就是指单空化泡的共振的频率,该频率还与两个空化泡的初始的半径有关。空化泡的振动振幅和两空化泡的初始的半径、外界的声压、两空化泡间的距离有一定的关系。并且随着空泡间距离的增大而增大,但是最后都趋向于一个定值。


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