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声学所揭示声-流耦合空化机理
2018年10月10日 来源: 声学所

  空化(cavitation)通常是指液体中压强下降到足够低时,气泡或者气泡群的生成及演化的现象。空化往往伴随着高温高压、冲击波、微射流及其衍生的生物化学效应,在液体处理、环境工程、医疗等很多领域有广泛的应用。


  传统的超声空化和水力空化在范围或强度方面存在局限性,无法满足工业应用中高强度、大范围空化场的需求。近年来,一些研究者将超声空化和水力空化并联起来,即声-流耦合空化,降解水中的有机物,发现其化学反应效果相比单独空化显著增强,存在协同效应,能显著提高空化处理效果。


  这种新的空化形式为空化工业规模应用提供了新思路。然而,截至目前,国际上仅有的几篇相关研究文献,基本都是利用声-流耦合空化对各种有机物降解的化学实验和效果比较,对声-流耦合空化本身的物理特性和机理研究几乎空白。


  近期,中国科学院声学研究所超声技术中心博士吴鹏飞等人对声-流耦合空化机理展开了系统研究,揭示了声-流耦合空化的物理机制。相关成果于7月21日在线发表于国际学术期刊Ultrasonics Sonochemistry。 


  吴鹏飞等人搭建高速摄影和空化噪声同步观测的声-流耦合空化实验平台,观察分析声-流耦合场中空化泡、空化云的演化规律及相应的空化噪声特征。研究人员提出了空化强度的一种新表述,和一种基于高速摄影图像分析来测量空化强度的方法,进一步对声-流耦合空化的时间演化周期性和空间强度分布进行定量计算。


  基于高速摄影图像分析来测量空化强度,主要分为两个环节。第一步,建立空化状态变量q与透过空化云的光强分布之间的物理关系;第二步,从观测照片中提取光强分布信息,结合第一步得出空化状态变量,再对空化状态变量进行时间平均,即可得到表征空化强度的量。


  实验分析结果表明,相比单独的超声空化或水力空化,声-流耦合空化的强度和作用范围出现显著提升,存在协同效应。


  理论模拟的声-流耦合空化泡的膨胀溃灭,相比单独水力空化和单独超声空化,表现得更为剧烈。综合实验观测和理论分析,声-流耦合空化使空化加强的物理机制主要有三方面:空化核源补给、空泡裂解增生和空化阈值降低。


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