超声空化及其声流结构实验研究∗

俞启东 徐志程 赵 静 马潇健

(中国运载火箭技术研究院研究发展部 北京 100076)

0 引言

超声波在液体中的瞬态压力变化会产生大量的空化气泡[1]。气泡在溃灭时会形成高速射流和冲击波，并伴随着大量能量的释放[2]。由空泡溃灭引起的这种高温、高压的极端条件可应用于污水处理[3]、材料萃取[4]、化学反应[5]和靶向治疗[6]等领域。然而，超声空化的广泛推广仍然受到宽带噪声[7]、空蚀损伤[8]和结构振动[9]等问题的限制。为了解决上述问题，明确超声空化流场的结构，优化超声设备的产品设计，需要进一步对超声空化形态和声流场结构进行详细和全面的研究。

为了研究超声场作用下的空化形态，大量研究者采用全流场显示技术研究了超声空化的瞬态演化过程。Moussatov等[10]采用电子图像拍摄系统研究了超声频率为20.7 kHz时的空化形态。结果表明，在变幅杆附近产生了由大量微气泡构成的锥形空化结构(Conical bubble structure,CBS)。该特殊形态的空化结构受变幅杆和超声声强的显著影响，并且形成机理可由一阶Bjerknes原理进行定性解释。Mandroyan等[11]利用激光断层扫描技术研究了在20 kHz和40 kHz变幅杆附近锥形空泡结构的瞬态变化。研究结果表明，变幅杆的存在显著影响了锥形空化区的瞬态演化过程。Viennet等[12]采用片状激光可视化系统研究了超声反应器中的空化结构，发现锥形空化结构均匀分布在超声变幅杆径向同心圆上。Luo等[13]对不同输入功率下20 kHz处的CBS空化和空化进行了实验研究，研究表明，当超声设备输入功率为300 W时测试材料边缘的空化现象比中心处更为严重。……