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中科院研究人员揭示声-流耦合空化机理
特斯拉 2018-10-12
导语

中国科学院声学研究所超声技术中心吴鹏飞博士等人揭示了声-流耦合空化的物理机制。

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吴鹏飞博士等人对声-流耦合空化机理展开了系统地研究,揭示了声-流耦合空化的物理机制。相关成果2018年7月21日在线发表于国际学术期刊Ultrasonics Sonochemistry。

吴鹏飞博士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(图1黄色箭头);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。

图1图像分析法示意图(图/吴鹏飞)

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(图2),存在协同效应。

图2空化云强度分布A:水力空化;B:声-流耦合空化;C:超声空化(图/吴鹏飞)

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。

本研究得到了国家自然科学基金(No.11674350, No.11174315)资助。

参考文献:

WU Pengfei, BAI Lixin, LIN Weijun, WANG Xiuming. Mechanism and Dynamics of Hydrodynamic-Acoustic Cavitation (HAC). Ultrasonics Sonochemistry (Volume 49, December 2018, Pages 89-96). DOI: 10.1016/j.ultsonch.2018.07.021

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  • 声空化;水力空化;声-流耦合空化;空化强度
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作者 特斯拉

副研究员

中科院

活跃作者
  • 爱因斯坦 科研工作者 北京航空航天大学 博士
  • 梅西 本科生 北京工业大学 本科
  • 金陵 本科生 北京大学 本科


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