气泡在超声场中绕圈运动的高速摄影及其图像分析*

白立春 孙劲光 高艳东

(辽宁工程技术大学电子与信息工程学院, 葫芦岛 125105)

借助高速摄影和图像分析技术对首次发现的附壁气泡的绕圈现象进行了实验研究, 重点研究游移气泡的运动轨迹、附壁气泡的布阵过程、气泡的来源以及气泡的振动细节.研究发现游移绕圈气泡的运动轨迹呈现出不稳定、不规则、不光滑的特点.阵列气泡源于游移气泡, 而游移气泡变成阵列气泡的方式主要是通过合并增大体积, 从而减小所受的Bjerknes 力, 降低活性的方式实现的.游移气泡源于ALF (acoustic lichtenberg figure)空化云中大量空泡的合并, 使以径向振动为主的空泡逐渐过渡到以表面波动为主的气泡.阵列气泡在Bjerknes 力的作用下呈现出规则的表面波动, 而体积更小受力更大的游移空泡的表面完全失稳, 呈现极不规则的形貌, 并对附近阵列气泡的表面波动产生影响.阵列气泡呈现出十分规则的排布, 相邻阵列气泡之间的振动相位是相反的, 表现为相互排斥.

1 引 言

气泡影响了流体的宏观物性和流动状态, 研究流体中的气泡运动对声学领域的超声清洗和声化学、水力学领域的泄洪效能及掺气减蚀等都具有重要意义.流体中的气泡随着流体运动的同时, 还会和流体产生相对运动, 例如在水动力的作用下气泡会产生的“之”字形和螺旋形运动[1].液体中的气泡在超声场的作用下也会产生各种运动.例如, 气泡可能径向振动[2], 在空泡内部产生高温高压[3], 在周围液体中产生微……