液体介质中非线性声传播和空化动力学研究

【摘要】： 本文从含气泡液体介质内声传播的基本特征入手,探讨其内的驻波特征、非线性特性以及它们对空化场分布以及强弱的影响,同时考虑液体内空泡和泡群运动、空泡之间的相互作用以及空泡和泡群崩溃对附近固体边界面的作用等,以期对空化场的物理本质进行探索。主要做了以下几个方面的工作： (1)对含气泡液体介质内的声波特征进行了研究。首先,分析了气泡和泡群的声辐射特征,在外场声波的驱动下气泡径向运动具有一定的周期特征并能够在周围介质中形成声辐射。其次,推导了含气泡液体内的非线性波动方程,并以此为基础分析了有界空间内满足边界条件的基波和二次谐波的驻波特征。第三,考虑横向截面变化的影响,推导了变截面容器内含气泡液体中的非线性声波动方程,以此为基础分析了满足容器边界条件的基波和二次谐波的驻波分布。结果表明：气泡含量,气泡初始状态、容器形状以及介质非线性等均对含气泡液体介质内声波能量的分布形成影响。 (2)对有界空间内声波作用下气泡的运动行为进行了研究。首先,对气泡的平动和径向振动之间的相互作用进行了研究,发现大气泡径向振动相对较弱,尺寸较小的空泡在声波的压缩相崩溃时伴有平动位置的激烈变化,尺寸极小的微气泡做幅度很小的受迫振动,其平动也表现出周期性,即在初始位置附近往复运动。其次,研究了气泡的大振幅非线性振动,并对一定的驱动条件下空化泡的尺度范围进行了估计。从相图上看,大振幅振动空化泡相对混乱,但存在“奇怪吸引子”,微气泡的相图接近三角形,而准本征小幅振动的大尺寸气泡的相图外包络线呈椭圆形。第三,利用镜象原理分析了无限大硬壁面和球面附近气泡的振动,得到了考虑壁面影响后气泡的振动方程并对其影响做了数值分析,结果表明,壁面的存在使得气泡的共振频率降低,气泡振动的幅度和模式均会受到一定程度的影响。 (3)对空化场的机理进行了探索。首先,分析了的物质基础—气核,给出了准静态平衡方程,得到了空化的最低阈值。其次,根据与空化场量化相关的三种泡群模型对泡群振动行为进行了理论探索,分析了其中的能量关系。第三,考虑了气泡之间的相互作用力,边界面(壁面)在空泡崩溃时的应力响应。边界面上的应力响应表现为正应力和切应力的变化,分别对应壁面附近与空泡和泡群运动相关流场在固体表面上的法向和切向分量,流场的快速变化以及空泡和泡群崩溃形成的冲击波微射流等使得壁面形变。 (4)对空化场进行了实验研究。首先,对换能器声辐射液体区域内气泡和泡群的形成进行了高速影像研究,发现声辐射主区外泡核有向辐射主区移动的趋势,泡群内的气泡尺寸呈分布状态,大气泡在声波的作用下小幅振动且以较快的速度在泡群内运动。其次,对不同功率换能器辐射场内气泡和泡群运动变化的平均速度进行了实验分析,均在0.1m/s的数量级。 本论文的主要创新点： (1)提出了变截面容器内含气泡液体中声传播模型,分析了其非线性驻波特征。其结论有利于管件的清洗以及各种反应容器的设计。 (2)估计了空化泡的尺度范围,为空化场的调控奠定理论基础。 (3)对空化场机制从物质之间相互作用的物理特性角度出发进行了探索,发展了泡群崩溃理论。 (4)对换能器大功率声辐射时气泡场的形成和变化进行了实时记录和分析,并以此为基础分析了声场中大气泡和局部小泡群振荡行为,还考虑了壁面对气泡场的影响。