【摘要】：聲波在液體中傳播時(shí),在時(shí)空上產(chǎn)生壓力起伏,出現(xiàn)低于靜態(tài)壓力的負(fù)壓狀態(tài),當(dāng)液體處于負(fù)壓狀態(tài)時(shí),分子間受到較小的壓力或者拉力的作用。此時(shí),液體內(nèi)部原有的結(jié)構(gòu)缺陷(空化核)會(huì)逐漸成長(zhǎng),形成肉眼可見的空腔,這些空腔在聲波作用下成長(zhǎng)、潰滅的現(xiàn)象就是聲空化(acoustic cavitation)。聲空化是一個(gè)古老而又現(xiàn)代的問題,自從發(fā)現(xiàn)之后便引起了人們的高度關(guān)注,成為聲學(xué)和物理學(xué)研究的熱門問題,由于空化氣泡的崩潰過程是一個(gè)近似絕熱的過程,因此產(chǎn)生了高溫、高壓、發(fā)光、微射流等一系列物理現(xiàn)象,而這些空化泡內(nèi)部的極端物理?xiàng)l件和在其周圍液體中出現(xiàn)的強(qiáng)聲效應(yīng),導(dǎo)致了一系列的物理效應(yīng)、化學(xué)效應(yīng)和生物效應(yīng)等,展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用發(fā)展前景。雖然超聲空化在應(yīng)用中取得了一系列的成果,但實(shí)際上,由于產(chǎn)生超聲空化的微氣泡的尺度在微米級(jí)別,且人們對(duì)劇烈振動(dòng)中氣泡內(nèi)部及周圍發(fā)生的過程知之甚少?gòu)亩拗屏顺暱栈囊?guī)�；�,使得超聲空化的應(yīng)用只停留在實(shí)驗(yàn)室階段,因此,超聲空化的基礎(chǔ)理論研究對(duì)認(rèn)識(shí)、掌控空化現(xiàn)象及超聲空化的規(guī)�；哂惺种匾囊饬x。然而超聲空化現(xiàn)象是大量空化氣泡的群體效應(yīng),是一個(gè)多體問題,而且大量氣泡之間存在非常復(fù)雜相互作用,因此多氣泡空化的理論研究非常困難,而兩個(gè)氣泡是多氣泡模型的基礎(chǔ),所以雙氣泡空化的理論研究對(duì)于多氣泡空化具有非常重要的意義。基于這個(gè)目的本文著重對(duì)液體中兩個(gè)空化泡之間的相互作用及聲相互作用下兩個(gè)氣泡的形狀不穩(wěn)定性進(jìn)行了系統(tǒng)的研究,試圖對(duì)液體中氣泡形成的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)、泡群中氣泡的穩(wěn)定振動(dòng)及多氣泡空化提供理論基礎(chǔ),主要研究?jī)?nèi)容如下:一、以雙氣泡在聲場(chǎng)中的振動(dòng)為模型,研究了兩個(gè)球形氣泡之間的次Bjerkens力及影響因素,對(duì)一定驅(qū)動(dòng)條件下一定尺寸范圍內(nèi)氣泡之間的次Bjerknes力特征及氣泡之間形成的穩(wěn)定氣泡結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析說明。基于微擾理論,考慮了非球形氣泡在聲場(chǎng)中的形變擾動(dòng),推導(dǎo)了非球形氣泡和球形氣泡之間的次Bjerknes力方程,在非球形氣泡能夠穩(wěn)定振動(dòng)且不因形變而發(fā)生破裂的驅(qū)動(dòng)條件下,數(shù)值模擬了聲場(chǎng)中非球形氣泡和球形氣泡之間的次Bjerknes力和兩個(gè)球形氣泡之間的次Bjerknes力,并對(duì)非球形氣泡和球形氣泡之間的次Bjerknes力的影響因素進(jìn)行了分析討論。研究結(jié)果表明:當(dāng)驅(qū)動(dòng)壓力大于非球形氣泡的Black閾值且又能使得非球形氣泡穩(wěn)定振動(dòng)時(shí),在第一個(gè)聲驅(qū)動(dòng)周期內(nèi),非球形氣泡和球形氣泡之間的次Bjerknes力和兩個(gè)球形氣泡的次Bjerknes力方向差異較大,在大小上是兩個(gè)球形氣泡次Bjerkens力的幾倍到幾十倍,且有著更長(zhǎng)的作用距離。非球形氣泡和球形氣泡之間的次Bjerknes力取決于非球形氣泡的形狀模態(tài)、兩個(gè)氣泡的相對(duì)位置、氣泡之間的距離、兩個(gè)氣泡初始半徑和驅(qū)動(dòng)壓力振幅。二、基于微擾理論研究了兩個(gè)非球形氣泡所組成系統(tǒng)的能量,并基于拉格朗日方程得到了存在聲相互作用的兩個(gè)非球形氣泡的徑向運(yùn)動(dòng)方程和形狀不穩(wěn)定性方程,研究了聲場(chǎng)中氣泡之間的兩種耦合模式對(duì)氣泡的形狀不穩(wěn)定性和氣泡擾動(dòng)幅度的影響。研究結(jié)果表明:聲場(chǎng)中具有非球形擾動(dòng)的兩個(gè)氣泡之間的耦合方式有兩種:形狀耦合模式和徑向耦合模式;氣泡之間的耦合方式取決于氣泡形狀模態(tài):當(dāng)兩個(gè)非球形氣泡的形狀模態(tài)相同時(shí),氣泡之間的形狀耦合模式和徑向耦合模式同時(shí)存在,當(dāng)兩個(gè)氣泡的形狀模態(tài)不相同時(shí),兩個(gè)氣泡之間只存在徑向耦合一種耦合方式;氣泡之間的形狀耦合和徑向耦合均能夠引起氣泡之間相互作用的改變,從而引起單個(gè)氣泡的形變擾動(dòng)幅度和形狀不穩(wěn)定性的改變,具體影響因素取決于聲場(chǎng)驅(qū)動(dòng)條件、氣泡形狀模態(tài)、相鄰氣泡的初始半徑等因素;形狀耦合對(duì)單個(gè)氣泡的擾動(dòng)幅度和形狀不穩(wěn)定性的影響大于徑向耦合對(duì)單個(gè)氣泡形狀不穩(wěn)定性和擾動(dòng)幅度的影響,一定條件下,兩個(gè)非球形氣泡之間形狀耦合和徑向耦合的協(xié)同作用能夠減小單個(gè)氣泡的形狀不穩(wěn)定性區(qū)域,減弱單個(gè)氣泡塌縮的劇烈程度,增加氣泡對(duì)抗非球形擾動(dòng)的能力。
【學(xué)位授予單位】：陜西師范大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：O427.4
【圖文】：

邐陜西師范大學(xué)博士學(xué)位論文逡逑的合并，測(cè)量由空化氣泡合并形成的大氣泡的體積改變量ＡＶＶ，大的體積改變量逡逑意味著氣泡之間存在較多合并現(xiàn)象，反之，小的體積改變量意味著氣泡之間存在逡逑較少的合并現(xiàn)象，通過將圖１－３中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比就能夠驗(yàn)證氣泡的合并和逡逑矯正擴(kuò)散過程，因此，空化氣泡的初始生長(zhǎng)可能通過氣泡合并這種方式的推論得逡逑以證實(shí)。逡逑

ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｓｈｏｗｉｎｇ邋ｔｈｅ邋ｖｏｌｕｍｅ邋ｃｈａｎｇｅ邋ｉｎ邋ｗａｔｅｒ邋ａｎｄ邋ｓｕｒｆａｃｔａｎｔ邋ｓｏｌｕｔｉｏｎ邋ａｎｄ邋ｔｈｅ逡逑ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ邋ｃｏａｌｅｓｃｅｎｃｅ邋ｄａｔａ邋ａｒｅ邋ａｌｓｏ邋ｓｈｏｗｎ１２＂１逡逑盡管如此，矯正擴(kuò)散對(duì)氣泡的生長(zhǎng)仍然做出貢獻(xiàn)，實(shí)驗(yàn)證據(jù)如圖１－３中所示，逡逑圖１－３是ＳＤＳ溶液實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，我們知道表面活性劑能夠減少表面張力，減少氣泡逡逑之間的合并，因此，在ＳＤＳ溶液中，通過合并引起的氣泡的生長(zhǎng)將明顯減少，則逡逑圖１－３中觀察到的ＳＤＳ溶液中ＭＢＳＬ氣泡初始生長(zhǎng)應(yīng)該主要?dú)w于氣泡的矯正擴(kuò)逡逑散。通過上面介紹的實(shí)驗(yàn)手段能夠證明氣泡的生長(zhǎng)確實(shí)分為矯正擴(kuò)散和合并兩種逡逑方式，而且能夠證明在一定數(shù)量的聲脈沖驅(qū)動(dòng)中，水中氣泡的合并和矯正擴(kuò)散對(duì)逡逑于氣泡的生長(zhǎng)貢獻(xiàn)是相等的。逡逑１．３．２氣泡內(nèi)部的溫度逡逑氣泡內(nèi)部的溫度是空化氣泡另一個(gè)非常重要的特點(diǎn)，如果假設(shè)空化氣泡在整逡逑個(gè)壓縮過程中是絕熱的，基于氣泡崩潰時(shí)的簡(jiǎn)單的熱力學(xué)模型，氣泡內(nèi)部溫度的逡逑最大值理論上可以通過下面的公式來表示［３７］：逡逑Ｔｍａｘ邋＝邋Ｔ0邐（Ｉ＇Ｄ逡逑４是氣泡周圍液體的溫度，八？是液體的壓強(qiáng)（流體靜力學(xué)壓強(qiáng)和聲壓強(qiáng)之和），逡逑ｙ是氣泡內(nèi)部氣體的絕熱壓縮系數(shù)，是氣泡體積最大時(shí)的壓強(qiáng)，通常假設(shè)等于液逡逑體的蒸汽壓強(qiáng)

如：激光衍射１３３］，主動(dòng)空化探測(cè)［３４］和相位－多普勒效應(yīng)［３５］等，在這里，相對(duì)簡(jiǎn)單逡逑的實(shí)驗(yàn)方法是脈沖多泡聲致發(fā)光［３６］，這種方法是利用脈沖間隔中超聲“停止”時(shí)逡逑間內(nèi)空化氣泡的溶解來監(jiān)測(cè)氣泡的尺寸，如圖１－４所示，在脈沖“出現(xiàn)”時(shí)間，逡逑空化氣泡生長(zhǎng)，在脈沖“停止”時(shí)間內(nèi)氣泡溶解，在一個(gè)給定的循環(huán)中，近似的逡逑多泡聲致發(fā)光強(qiáng)度如圖１－４所示。逡逑從圖１－４中可以看出當(dāng)脈沖的“停止”時(shí)間從１２邋ｍｓ增加到２００邋ｍｓ時(shí)，平均逡逑ＭＢＳＬ強(qiáng)度并不會(huì)發(fā)生明顯改變，盡管如此，超出這個(gè)范圍之外，ＭＢＳＬ強(qiáng)度減逡逑小，當(dāng)脈沖超出２９０邋ｍｓ外，ＭＢＳＬ強(qiáng)度幾乎接近０，這表明空化氣泡群已經(jīng)到達(dá)逡逑一個(gè)尺寸范圍，這個(gè)尺寸范圍低于下個(gè)脈沖期間聲致發(fā)光發(fā)生所需的氣泡尺寸的逡逑臨界值。這個(gè)臨界尺寸可以認(rèn)為等于泡群的共振尺寸，氣泡到達(dá)共振尺寸范圍后逡逑生長(zhǎng)至氣泡最大值然后崩潰發(fā)光，可以假設(shè)氣泡尺寸只比這個(gè)共振尺寸小一點(diǎn)，逡逑當(dāng)平均ＭＢＳＬ強(qiáng)度在這個(gè)臨界脈沖停止時(shí)間內(nèi)到達(dá)０時(shí)

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前9條

1 安宇;張文娟;;The characteristics of sonoluminescence[J];Chinese Physics B;2012年01期

2 莫潤(rùn)陽(yáng);林書玉;王成會(huì);;超聲空化的研究方法及進(jìn)展[J];應(yīng)用聲學(xué);2009年05期

3 陳偉中;黃威;劉亞楠;高賢嫻;;聲空化泡動(dòng)力學(xué)及其測(cè)量[J];中國(guó)科學(xué)G輯:物理學(xué)、力學(xué)、天文學(xué);2006年02期

4 劉海軍,安宇;水蒸氣對(duì)聲致發(fā)光單氣泡穩(wěn)定性的影響[J];物理學(xué)報(bào);2003年03期

5 謝崇國(guó),安宇,應(yīng)崇福;聲致發(fā)光氣泡內(nèi)水蒸氣的影響[J];物理學(xué)報(bào);2003年01期

6 錢夢(mèng)

本文編號(hào)：2804431