超声空化气泡动力学仿真及其影响因素分析_崔方玲

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温度对超声清洗中空化泡动力学特性的影响

温度对超声清洗中空化泡动力学特性的影响庞昊斐;祝锡晶;王璟;袁志伟【期刊名称】《表面技术》【年(卷),期】2016(45)8【摘要】目的为了更合理地利用超声清洗中的空化效应。

方法以清洗区单空化泡为研究对象,基于能量守恒原理,建立了空化泡的动力学模型。

数值模拟了环境温度、声压幅值、超声频率和超声振幅对清洗区空化泡动力学特性的影响。

结果当温度从0℃升高到80℃时,空化泡溃灭时间由579.36μs缩短到181.43μs。

高温下空化泡的膨胀速度更快,50℃时空化泡的最大膨胀幅值为51.27,此时空化强度最大。

随着声压幅值的增大,空化泡的运动由近似于稳态空化的多周期振荡转变为只经过一次膨胀压缩后溃灭,最大膨胀幅值也由此先减小,后近似于线性增大,溃灭时间先变短,后稳定在150μs左右。

随着频率的增大,空化泡的最大膨胀幅值变小,溃灭时间变长,振幅的扰动作用对空化泡半径变化和溃灭时间的影响很小。

结论不同温度下空化泡的动力学特性相似,声压幅值的增大和超声频率的降低均有助于提升空化效应,换能器的振动对邻近液体中空化泡的扰动作用可忽略。

【总页数】6页(P150-155)【关键词】超声清洗;温度;空化泡;动力学;数值模拟;膨胀幅值;溃灭时间【作者】庞昊斐;祝锡晶;王璟;袁志伟【作者单位】中北大学机械与动力工程学院【正文语种】中文【中图分类】TB559【相关文献】1.超声珩磨作用下两空化泡动力学特性 [J], 郭策;祝锡晶;王建青;成全;刘国东2.超声场中空化泡对悬浮粒子微流的影响 [J], 武耀蓉;王成会;莫润阳;陈时3.声驻波场中空化泡的动力学特性∗ [J], 沈壮志4.超声振动珩磨作用下空化泡动力学及影响参数 [J], 郭策;祝锡晶;刘国东;王建青;成全5.超声场中空化泡对弹性粒子微流的影响 [J], 冯康艺; 王成会因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

超声降解废水机理及空化气泡运动过程数值模拟

ｅ．ｄｉｉｕＳｎａｄｔｎ．ｔｅｐｐｒｃｎｒｔｄｔｉｎｕｒａｉｌｔｎｗｉｈｒｄｔｎｌＲ— ｅｕｔｏ．ＩｓｏｅＩｏｈａｅｏｔａｅｈｓｍｉｌｓｍｕａｉｔｔｅｔａｉｏａＰｑａｉｎｔｈｗｄｓｅｃｏｈｉ
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超声降解废水机理及空化气泡运动过程数值模拟
吴岸峰，苟小龙，李朋
（庆大学动力工程学院，庆重重４０３）０００
摘
要：阐述了超声降解废水的机理，并根据以体积作为动力学参数的气泡动力学模型进
行数值模拟，结果表明，低频下的空化强度更大，有利于降解过程，更而驱动声压和初始气泡大小则存在一个最佳值，同时与传统的ＲＰ方程作了比较， — 两个模型模拟结果基本一致，明本文表
所用模型也适用于对气泡运动过程的模拟．
关键词：声空化；降解废水；气泡方程；数值模拟
ＡｂｔａｔＴｉｐａｅ／ｒｅｅｈｎｍｏａｔａｒｌａｏｉｄｇａａｉｎａｅｕｒａｓｕ — ｓｒｃ：ｈｓｐｒｓ１ｔｔｃａｉｗｓｗｔｔｓｎｃｅｒｔｎｄｍｄｍｉｌｉｌ０ｈｈｍｓｆｅｅｕｒｄｏａｎｅｃｍａ
ＷＵ —ｅｇ，ＧＯＵａ —ｏｇ，ＬｎＡｎｆｎＸｉｏｌｎＩＰｅｇ
（ｏｅｅｏＰｗｒｎｉｅｒｇＣｏｇｉｇＵｉｒｔ，Ｃｏｇｉｇ０００Ｃｉ）Ｃｌｇｆｏｅｇｅｎ，ｈｎＱｎｎｅｓｙｈｎＱｎ０３，ｈｎｌＥｎｉｖｉ４ａ

单泡超声空化仿真模型的建立及其动力学过程模拟

第40卷第3期Vol.40,No.3 2021年5月Journal of Applied Acoustics May,2021⋄研究报告⋄单泡超声空化仿真模型的建立及其动力学过程模拟∗徐珂许龙†(中国计量大学理学院杭州310018)摘要：为了模拟单泡超声空化的动力学特性，建立了单泡超声空化的有限元仿真模型，基于流体动力学控制方程和流体体积分数模型，利用有限元分析软件模拟了超声驱动下水中单泡的空化动力学过程。

结果表明：单泡随时间的演化规律是先缓慢膨胀到最大后迅速塌缩；泡内压强与气体密度变化与单泡体积变化成反比；在膨胀阶段，泡外压强与气体密度沿着泡的径向向外递减；在压缩阶段，泡外在声压垂直方向的压强与气体密度要大于声压激励方向的压强和气体密度。

该文分析结果将为超声空化动力学过程模拟及研究提供参考。

关键词：超声空化；单泡；有限元仿真中图法分类号:O368文献标识码:A文章编号:1000-310X(2021)03-0343-07DOI:10.11684/j.issn.1000-310X.2021.03.004Establishment of a single-bubble ultrasonic cavitation simulation model andsimulation of its dynamic processXU Ke XU Long(College of Science,China Jiliang University,Hangzhou310018,China)Abstract:In order to simulate the dynamic characteristics of single bubble ultrasonic cavitation,a simulation model of single-bubble ultrasonic cavitation was established.Based on theﬂuid dynamics control equation and volume ofﬂuid model,theﬁnite element analysis software was used to calculate the cavitation dynamic process of a single-bubble in water driven by ultrasound.The results show that the evolution rule of a single-bubble with time is that it expands slowly to the maximum and then collapses rapidly.The change of the pressure and the gas density inside the bubble is inversely proportional to the change of the single bubble volume.In the expansion phase,the external pressure and the gas density of the bubble decrease along the radial direction of the bubble.In the compression phase,the pressure and gas density in the vertical direction of sound pressure are greater than that in the direction of sound pressure excitation.The results in this paper will provide a reference for simulation of the dynamic process of the ultrasonic cavitation.Keywords:Ultrasonic cavitation;Single-bubble;Finite element simulation2020-08-04收稿;2020-10-23定稿∗国家自然科学基金项目(12074354，11574277),浙江省自然科学基金项目(LY16A040006)作者简介:徐珂(1998–),女,山东菏泽人,硕士研究生,研究方向:超声空化。

超声空化气泡动力学仿真及其影响因素分析

第29卷第17期农业工程学报 V ol.29 No.172013年9月Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Sep. 2013 24 超声空化气泡动力学仿真及其影响因素分析崔方玲，纪威※（中国农业大学工学院中国农业大学生物质中心，北京 100083）摘要：为获得最佳的超声空化效果，构建了空化气泡运动的动力学模型，并对模型方程进行数值仿真，探讨了超声频率、声压、空化泡初始半径、反应体系主体温度和绝热指数对空化气泡运动的影响。

模拟结果表明，随着超声频率的增加，空化效应减弱；随着声压幅值的增大，空化泡最大振幅增加，崩溃时的最高温度和最大压力先增大后减小；气泡的初始半径较小，并且反应体系温度较低时，空化效果较好；绝热指数取值的不同会导致空化模拟计算结果有所差异，该研究为超声空化技术的广泛应用提供参考。

关键词：动力学模型，超声，空化，因素分析doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2013.17.004中图分类号：O426.4 文献标志码：A 文章编号：1002-6819(2013)-17-0024-06崔方玲，纪威. 超声空化气泡动力学仿真及其影响因素分析[J]. 农业工程学报，2013，29(17)：24－29.Cui Fangling, Ji Wei. Dynamic simulation of ultrasonic cavitation bubble and analysis of its influencing factors [J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2013, 29(17): 24－29. (in Chinese with English abstract)0 引言随着科学技术的发展，超声在化工、医疗、生物等众多领域得到了广泛的应用[1-6]。

超声空化气泡运动的数值模拟

ＺＨＡＮＧＨｏｎｇ，ＤＩＮＧＳｈｕ—ｌｉ，ＸＵＢｏ—ｈｕｉ，ＲＥＮＸｉａｏ—ｈｕｉ
（１ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＳｃｉｅｎｃｅ，ＨｅｂｅｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＨｅｂｅｉＨａｎｄａｎ０５６０３８，Ｃｈｉｎａ；２ＴｈｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆ
中图分类号：ＴＶ３１２文献标识码：Ａ
Ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｃａｖｉｔａｔｉｏｎｂｕｂｂｌｅｍｏｔｉｏｎｉｎｄｕｃｅｄｂｙｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ
被广泛用于医学、加工制造、化学等领域的研究¨ Ｉ４』，并且很多技术已经得到大量应用。超声
值模拟，分析了超声频率、声压幅值、气泡核尺寸、液体的表面张力和动力粘度等因素对空化气泡的影响，为功率超声在实验和工业中的应用提供理
ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ；ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ；ｂｕｂｂｌｅｄｙｎａｍｉｃｓ
超声空化时，极短的时间内，在气泡的极小区
域中将产生上千开尔文的高温、ＧＰａ量级的高压、重力加速度十二次方的加速度以及强烈的冲击波和光辐射。这些物理效应将会改变或者加速改变物质的物理、化学或者生物的一些特性，因此超声

研究气泡空化运动的方法-概述说明以及解释

研究气泡空化运动的方法-概述说明以及解释1.引言1.1 概述概述:气泡空化运动是一种在流体中液体脉动引起气泡形成和破裂的现象，也是流体力学中的重要研究课题之一。

气泡空化不仅在海洋工程、化工工艺、生物医学等领域有着重要的应用价值，同时也对流体运动的理解和控制具有重要的理论意义。

本文旨在探讨研究气泡空化运动的方法，通过深入分析气泡空化现象的基本概念并提出不同的研究方法，以期对气泡空化运动有更全面深入的理解。

通过本文的研究，我们希望能够为未来在气泡空化运动领域的研究提供一定的参考和启示，推动相关领域的发展和应用。

1.2 文章结构文章结构部分的内容可以描述整篇文章的组织结构和各部分的主要内容安排，以便读者了解整体内容流程。

具体内容可以包括：文章结构部分:本文共分为引言、正文和结论三个部分。

1. 引言部分介绍了本文的研究背景和意义，以及本文的目的和意义。

2. 正文部分主要包括气泡空化运动的基本概念、研究方法一和研究方法二三个子章节。

在正文部分中，将对气泡空化运动的相关概念进行介绍，并分别阐述两种不同的研究方法。

3. 结论部分对本文的研究方法进行总结，展望了这些方法的应用前景，最后给出结论。

通过引言、正文和结论三部分的结构布局，本文将全面系统地介绍研究气泡空化运动的方法，为读者提供清晰的研究框架和思路。

1.3 目的:研究气泡空化运动的目的主要包括以下几个方面：1.探索气泡在流体中的运动规律：通过深入研究气泡空化运动的方法，可以更好地理解气泡在流体中的运动规律，揭示气泡空化现象背后的物理机理。

2.提高气泡空化现象的控制和应用：通过研究气泡空化运动的方法，可以为气泡空化技术的发展提供有效的方法和手段，进一步提高气泡空化现象的控制性和应用性。

3.促进相关领域的学术交流和合作：通过开展气泡空化运动的研究，可以促进学术界和工业界在相关领域的交流与合作，推动气泡空化技术及其应用的发展。

2.正文2.1 气泡空化运动的基本概念气泡空化运动是指在液体中存在气泡时，由于液体的流动或外力作用，气泡不断变形、移动并最终破裂的过程。

流体控制方程的超声空化泡动力学模拟

Abstract This paper is based on the governing equation of ﬂuid dynamics and VOF model, simulating the motion of ultrasonic cavitation bubble in Fluent 14.5 software environment. Firstly, we simulated the change of morphological single cavitation bubble with a cycle, and the calculations of maximum area, minimum area, expansion time and contraction time were used to analyze the eﬀect of ultrasound parameters on cavitation. Besides, we explored the eﬀect of dual frequency ultrasound on cavitation bubble motion. Under the situation of other conditions being equal, the numerical results indicate that the cavitation eﬀect is best when the sound pressure amplitude is 3 MPa within the range of 1∼5 MPa, and when ultrasonic frequency is greater than 20 kHz, the cavitation eﬀect decreases with the increase of ultrasonic frequency. The results also show that the cavitation eﬀect of dual frequency ultrasound with the same frequency is better than single frequency ultrasound whose sound pressure amplitude is twice as much as dual frequency ultrasound, and the cavitation eﬀect of dual frequency ultrasound with the diﬀerent frequencies is aﬀected by the frequency diﬀerence. Key words Ultrasonic cavitation bubble, Computational ﬂuid dynamics, VOF method, Numerical simulation

亚临界水中的超声空化泡动力学研究

2020-07-03刘　为（1996-）女, 汉族，河南信阳人，硕士，研究方向：超声技术及其应用。

亚临界水中的超声空化泡动力学研究（华南理工大学物理与光电学院，广州　510640）摘　要：为探究超声空化泡在亚临界水中的动力学行为,本文基于流体控制方程和多相流模型,使用计算流体力学仿真软件对亚临界水中的超声空化泡进行建模与数值仿真,研究了空化泡从在运动过程中的形态变化，以及流体区域内速度，压力的分布变化,并对影响空化泡动力学行为的因素进行探究。

结果表明，在同等条件下，常温水中的空化效果比亚临界水中的空化效果更好；在同样的频率，振幅的超声中，流体压力越小，温度越高，空化程度越剧烈。

关键词：亚临界水；超声；空化泡中图分类号：TB55 文献标识码：A 文章编号：1001-5922(2021)05-0141-06Study on the Dynamics of Ultrasonic Cavitation Bubbles inSubcritical WaterLiu Wei, Yang Rifu(School of Physics and Optoelectronics, South China University of Technology, Guangzhou 510640,China )Abstract ：In order to explore the dynamic behavior of ultrasonic cavitation bubbles in subcritical water, this paper uses computational fluid dynamics simulation software to complete the modeling and numerical simulation of cavitation bubble in subcritical water based on fluid control equations and multiphase flow models. The morphological changes of cavitation bubbles during the movement process, and the distribution changes of velocity and pressure in the fluid region are studied. The factors affecting the dynamic behavior of cavitation bubbles are investigated. The results show that the cavitation effect of normal temperature water is better than that of critical water under the same conditions. At the same frequency and amplitude, the lower the fluid pressure, the higher the temperature, and the more severe the cavitation.Key words ：subcritical water ;ultrasonic ;cavitation bubble收稿日期：作者简介：刘　为，杨日福0 引言亚临界水是沸点在100℃（212°F）和临界温度374℃（705°F）之间的液态水，也被称为“过热水”。

基于改进的Keller-Miksis模型的超声空化气泡动力学研究

基于改进的Keller-Miksis模型的超声空化气泡动力学研究贾蕙竹;丁婷【期刊名称】《中国医疗设备》【年(卷),期】2022(37)11【摘要】目的超声空化是诸多超声治疗的关键作用机制,为提高以空化效应为作用机制的超声治疗效率,需探究空化气泡在不同参数下的动力学特性。

方法在Keller-Miksis模型的基础上,考虑传热模式对空化气泡振动特性的影响以及气体不可无限压缩的事实,建立了一个改进的液体中单个超声空化气泡仿真模型,并分析了不同传热模式、空化气泡参数、液体参数和声场参数下的超声空化气泡动力学过程。

结果在等温、等温-绝热、绝热3种不同传热模式下,超声空化气泡动力学过程基本一致;当空化气泡初始半径小于共振半径时,可以增强超声空化效应;随着液体表面张力、液体黏滞系数、液体饱和蒸汽压的增大,超声空化效应减弱;空化气泡的最大瞬态振动半径一方面随着激励频率的增大而明显减小,另一方面随着声压幅值的增大而明显增大。

结论本文基于Keller-Miksis模型构建了一个更接近实际情况的单泡动力学仿真模型,并讨论了不同参数下的超声空化气泡动力学行为。

这为超声空化瞬态物理研究以及有选择性地增强或抑制空化效应从而实现精准高效的超声治疗提供了有效参考。

【总页数】6页(P28-33)【作者】贾蕙竹;丁婷【作者单位】中北大学信息与通信工程学院生物医学成像与影像大数据山西省重点实验室【正文语种】中文【中图分类】R616;O426.4【相关文献】1.基于功率超声珩磨的空化泡动力学模型的研究2.超声空化气泡动力学仿真及其影响因素分析3.基于MATLAB的超声空化气泡动态仿真4.超声反应器中运动空化气泡的动力学研究5.声场中双空化气泡之间的相互作用及气泡动力学研究因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

超声振动对珩磨加工过程中磨削液气泡空化作用的影响

超声振动对珩磨加工过程中磨削液气泡空化作用的影响祝锡晶;郭策【摘要】为了对超声珩磨下的磨削液空化泡进行合理预测和控制,在分析磨削液空化机理的基础上,从气泡的控制方程出发,数值对比了超声珩磨与传统珩磨对磨削液气泡运动特性的影响,并研究了声压幅值和超声频率对磨削液气泡空化的作用,最后利用声强测量仪对磨削液气泡的空化强度进行了定量测量. 结果表明:超声珩磨下气泡会发生膨胀及压缩的动力学过程,而传统珩磨下气泡会直接被压缩,且超声珩磨下气泡的溃灭速度比传统珩磨高两个数量级;当声压幅值较低时(pa<p0+ph),磨削液气泡不发生空化,随着声压幅值的增加(pa≥p0+ph),磨削液气泡的空化强度逐渐增强;超声珩磨装置共振时,磨削液气泡的空化强度最强,而超声珩磨装置非共振时,随着超声频率的增加,磨削液气泡的空化强度逐渐减弱. 磨削液空化强度试验结果与理论分析基本相符.%In order to reasonably predict and control cavitation bubbles of grinding fluid under ultrasonic honing,based on the analysis of cavitation mechanism of grinding fluid,bubble dynamics behaviors under ultrasonic honing and traditional honing were simulated numerically respectively. Effects of acoustic amplitude and ultrasonic frequency on cavitation bubble of grinding fluid were discussed. Acoustic cavitation intensity of grinding was measured employing acoustimeter quantitatively. The results show that the bubble under ultrasonic honing can present the dynamics process of expansion and compression,but the bubble under traditional honing can be compressed directly. The collapse velocity of the bubble under ultrasonic honing is higher two magnitudes than that of traditional honing. For lower acoustic amplitude (pa<p0+ph),the cavitationof grinding fluid may not occur. As increasing acoustic amplitude(pa≥p0+ph),the cavitation intensity of grinding fluid is growing increased. The cavitation intensity of grinding fluid can reach the best effect when the resonance of ultrasonic honing device occurs. However,cavitation intensity of grinding fluid can be reduced as increasing ultrasonic frequency,when ultrasonic honing device is non-resonant. The numerical analysis is in agreement with experimental results well.【期刊名称】《电加工与模具》【年(卷),期】2015(000)006【总页数】5页(P45-49)【关键词】超声振动;珩磨;气泡;空化【作者】祝锡晶;郭策【作者单位】中北大学机械与动力工程学院,山西太原 030051;中北大学机械与动力工程学院,山西太原 030051【正文语种】中文【中图分类】TG663珩磨是缸套、缸体类零件的常用加工方法［1］。

科学通报_湍流作用下水力空化气泡内温度演变的动力学分析

1.1
空化泡运动驱动压力
本文中 , 水力空化发生装置采用文献 [26]中的孔板几何结构 . 对于通过孔板的高雷诺数湍流流动 , 漩涡的形成会引起速度波动 , 从而导致压力波动 , 空化泡的运动将同时受到平均流动和瞬时湍流速度脉动的影响 . 参照 Pandit 等人 [27,28]的研究 , 将湍流脉动速度近似为正弦规律变化 , 则孔板下游任意一点 ( 轴向方向 )在 t 时刻的瞬时速度可表示为
摘要以水为工作介质, 在综合考虑液体可压缩性、液体表面张力、液体黏性、气泡内外热交换及气泡内部存在水蒸气的情况下, 采用动力学方法对湍流压力场驱动下水力空化气泡内的温度演变及影响因素进行了研究. 分析了液体中空化热效应产生的原因及空化泡平衡半径、孔板水力空化反应器运行与结构参数等对空化泡溃灭温度的影响规律, 拟合得到了各影响参数与空化泡溃灭温度之间的显著函数关系式. 研究结果可为水力空化反应器的优化设计及水力空化技术的发展和应用提供理论指导与技术支撑.
(3)
式中 R=R(t)为任意时刻的空化泡半径 , c 为液体中的局部声速 , H 为液体在空化泡壁上的焓值 :
P B 2n c c R , Pt B H
PR Pt n 1
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
1
空化泡动力学模型
(4)
对于本文的模型 , 采用了以下假设 : (1) 空化泡膨胀和收缩期间保持为球形 ; (2) 忽略液体相与空化泡之间的相对运动 ; (3) 空化泡形成以后保持力学平衡 ; (4) 空化泡内气体压力沿径向均匀分布 ; (5) 空化泡内气体由空气与水蒸气组成 ; (6) 不考虑空化泡内化学反应的影响 .
2002美国橡树岭国家实验室研究人员taleyarkhan11在science上报道了他们用声致发光技术使微气泡在超声波场中内爆引发核聚变的实验结果后来他们又发表了补充性论文进一步提出了气泡核聚变的证据1213taleyarkhan等人的报道之前术界已经公认气泡内的温度只有万度的数量级14但是如果声致气泡热核聚变真实存在空化泡溃灭温度峰值恐怕就不是万度的量级而要高出几个数量级

超声空化气泡运动过程的数值分析

超声空化气泡运动过程的数值分析作者：王捷来源：《价值工程》2011年第01期摘要：文章基于考虑了液体表面张力、液体粘滞性和辐射阻尼的气泡运动方程，采用数值分析方法研究了在不同声场频率和气泡初始半径条件下单一空化气泡的动力学过程。

Abstract： Based on the bubble dynamic equation under the consideration of liquid surface tension, viscosity and radiative resistance, this essay adopted numerical simulations to investigate single cavitation bubble dynamics with different kinds of acoustic driving frequencies and bubble initial radiuses.关键词：超声空化；空化气泡；数值分析Key words： ultrasonic cavitation；cavitation bubble；numerical analysis中图分类号：G30文献标识码：A文章编号：1006-4311（2011）01-0196-020引言随着科学技术的发展，超声已在众多领域得到了广泛的应用，在这些应用中，超声空化是引发各种物理、化学和生物效应的主要机理，这些效应与瞬态空化气泡崩溃时所产生的高温高压等现象有关。

在研究单一空化气泡动力学过程的方法中，数值分析是除理论和实验方法之外的一种研究方法，至少有两方面原因表明它是必要的。

首先，由于气泡运动过程中高度的非线性，使得从理论上建立能够精确描述空化过程的方程实际上是不可能的，其次，微米级大小的空化气泡半径和持续时间为微秒至纳秒级的气泡运动周期使得实验测量也难以进行。

本文基于考虑了液体表面张力、液体粘滞性和辐射阻尼的气泡运动方程，采用数值分析中Runge-Kutta 方法研究在不同声场频率和气泡初始半径条件下单一空化气泡的运动过程。

基于多模式超声场作用下的空泡空化机理

基于多模式超声场作用下的空泡空化机理下载提示：该文档是本店铺精心编制而成的，希望大家下载后，能够帮助大家解决实际问题。

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超声场下空化气泡运动的数值模拟和超声强化传质研究

超声场下空化气泡运动的数值模拟和超声强化传质研究随着科技的发展，超声波在物理学、医学等许多领域都得到了广泛应用。

在流体力学领域，超声波作为一种外场干扰，对流体动力学和传质等过程产生很大影响，其中，空化气泡运动和超声强化传质是热点研究方向之一。

空化气泡运动的数值模拟是流体力学领域重要的基础研究应用之一。

虽然物理建模较为复杂，而且计算量也很大，但是它通过数值模拟的方法，可以有效地掌握空化气泡在不同流场条件下的运动规律和物理特性，为相关领域应用提供科学依据。

超声强化传质是超声波在化学、生物等领域的应用之一。

传质过程是许多化学反应中不可或缺的步骤，超声强化传质能够加强物质间传质难度，并使反应速率提高，并且对化学反应有很好的增效作用。

在空化气泡运动和超声强化传质的研究中，数值模拟和实验相结合是一个常用的方法。

在数值模拟方面，目前多采用计算流体力学（CFD）的方法。

首先，通过九平面Yih方案建立了空化气泡数值模拟的数学模型，模拟结果可以描绘气泡在场中的运动特征以及涡旋和漩涡的形成。

进一步研究表明，在固体表面时气泡的形态、涡旋和漩涡的形成等受到了壁面的影响，这也进一步说明物体表面的物理化学性质对流体力学中的空气化现象影响很大。

其次，通过在气泡液液界面的传质实验中发现，低频超声波可以增加系统的传质速率。

实验结果显示，随着超声波频率的降低，传质速率逐渐升高，起始频率在28.8 kHz时，传质速率达到最大值，并随着频率的降低而下降。

这说明低频超声波可以在界面附近产生局部的激波透过界面，使传质速率增加。

此外，实验也表明，超声波的强度对传质速率的影响也非常显著。

总之，空化气泡运动的数值模拟和超声强化传质是流体力学中的重要方向，通过数值模拟和实验相结合的方法可以有效地掌握这两个过程在不同流体场中的影响规律和物理特性。

这些研究成果为相关领域应用提供了一定的科学依据，也促进了超声应用在不同领域的发展。

钢液内超声空化气泡运动过程模拟

钢液内超声空化气泡运动过程模拟
孔为;苍大强;王文波
【期刊名称】《科学技术与工程》
【年(卷),期】2010(010)035
【摘要】研究了钢液内超声空化气泡的运动过程,即空化气泡壁不断膨胀、收缩乃至崩溃的过程.利用四阶龙格库塔法,并通过Matlab解出公式中关于t与R的数值解,来模拟超声声压幅值、频率、空化气泡初始平衡半径及k值的变化对钢液内空化气泡运动过程的影响.计算结果说明钢液内的超声处理存在瞬稳态空化转化阈值.在低于和高于瞬稳态空化转化阈值的情况下,各种参数对空化气泡运动过程的影响均有不同的变化.稳态空化下,通过增大R0可在较小的超声波工作频率下,达到超声与空化气泡的共振,从而明显提高空化效果;瞬态空化下,大的Pa、低频、小的R0、大的k值(单原子气体)有利于提高空化效果.在实际的钢液内超声操作时,应根据不同情况调节各种参数配置,以控制空化效果.
【总页数】6页(P8696-8701)
【作者】孔为;苍大强;王文波
【作者单位】北京科技大学冶金与生态工程学院,北京,100083;北京科技大学冶金与生态工程学院,北京,100083;北京科技大学冶金与生态工程学院,北京,100083【正文语种】中文
【中图分类】TB559
【相关文献】
1.超声空化气泡运动的数值模拟 [J], 张红;丁述理;徐博会;任晓慧
2.钢液内宏观超声空化特征的数值模拟 [J], 孔为;苍大强;王文波
3.铝合金熔体中超声空化效应和气泡运动过程模拟 [J], 刘荣光;李晓谦;胡仕成
4.超声空化对溴化锂溶液气泡运动的影响 [J], 郝广宇;韩吉田;李良洁;展茂胜
5.超声空化气泡运动方程的求解及过程模拟 [J], 许文林;何玉芳;王雅琼
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超声驱动下激励参数对单泡空化振动的影响

超声驱动下激励参数对单泡空化振动的影响
杨阳;宗丰德
【期刊名称】《力学学报》
【年(卷),期】2009(041)001
【摘要】根据考虑了液体可压缩性的改进的微气泡动力学方程,采用改进的初始半径对单泡超声空化现象进行了数值计算研究.结果表明,微气泡振动对一些参量很敏感:微气泡振动半径与初始半径的比值随振动频率的增大而减小;提高声场声压会加剧气泡崩塌程度,但过高的声压又不能使微气泡崩塌;微气泡崩塌速率随气泡初始半径的增加而增大,在一定范嘲内能保证空化泡稳定振动,在初始半径为1.6μm处空化程度最强,如果继续增大初始半径则空化程度减弱、甚至消失;微气泡崩塌程度随黏滞系数和表面张力的增大而减弱,过大的黏滞系数和表面张力会使微气泡崩塌难以发生.计算结果与他人的实验数据相比,发现液体的可压缩性使单泡空化强度增强,对最佳空化区域范围的确定有较大的影响.
【总页数】7页(P8-14)
【作者】杨阳;宗丰德
【作者单位】浙江师范大学数理与信息工程学院,金华,321004;浙江师范大学数理与信息工程学院,金华,321004
【正文语种】中文
【中图分类】O426
【相关文献】
1.超声振动珩磨单空化泡溃灭温度研究 [J], 张小强;祝锡晶;王建青
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由图 3a 可见，随着反应体系的温度的升高，空化泡振幅增大，空化泡崩溃时的最高温度和最大压力逐渐减小。由图 3b 可见，随着声压幅值的增大，空化泡振幅增大，而空化泡崩溃时的最高温度和最大压力先增大后减小。
b. 空化泡崩溃时的最大压力pmax随声压幅值pA和反应体系主体温度T 的变化 b. Variation of maximum pressure pmax with acoustic pressure amplitude pA
摘要：为获得最佳的超声空化效果，构建了空化气泡运动的动力学模型，并对模型方程进行数值仿真，探讨了
超声频率、声压、空化泡初始半径、反应体系主体温度和绝热指数对空化气泡运动的影响。模拟结果表明，随着
超声频率的增加，空化效应减弱；随着声压幅值的增大，空化泡最大振幅增加，崩溃时的最高温度和最大压力先
增大后减小；气泡的初始半径较小，并且反应体系温度较低时，空化效果较好；绝热指数取值的不同会导致空化
2 结果与分析
以标准大气压下的水为反应体系进行超声空化模拟（p0=1.013×105Pa，ρ=1 000 kg/m3），通过数值迭代求解空化泡运动方程，初始条件为：t=0，
R=R0，dR/dt=0。 2.1 绝热指数对空化模拟结果的影响
标准大气压下 308.15 K 的反应体系中，气泡初始半径为 5 μm，在声压幅值 0.2 MPa，频率 25 kHz 的超声波作用下，不同绝热指数模拟所得的空化泡最大振幅以及空化泡崩溃时的最高温度和最大压力如图 1。
1 理论推导
1.1 超声空化动力学模型的建立
空化过程实际上可看作空化气泡壁的运动过
程。当超声波在液体中传播时，液体中存在的微小
气泡将受到超声波的拉伸和压缩作用。假设声场强
度恒定，空化泡中的气体和水蒸气满足理想气体变
化规律，液体不可压缩且主体温度恒定，空化泡中
的蒸汽分压等于该主体温度下相应的蒸汽压，气泡
26
农业工程学报
2013 年
得良好的空化效果，应在较低温度的条件下工作。
a. 空化泡崩溃时的最高温度 Tmax 随声压幅值 pA 和反应体系主体温度 T 的变化
a. Variation of highest temperature Tmax with acoustic pressure amplitude pA and reaction system temperature T
指数；f 为超声频率，Hz；ρ 为反应体系的密度， kg/m3；t 为空化泡运动时间，s。
考虑到体系温度的变化对水的物性影响，构建
了水的饱和蒸汽压、表面张力、黏度和声速随体系
温度 T 变化的物理模型为 1）水的饱和蒸汽压与温度的关系式[25]
pv = 2.2064 ×107 / exp(7.38ln T − 57.2529 （3） +7282.7222 / T − 4.2088 ×10−6 × T 2 )
壁的运动满足球形对称运动。考虑液体黏度和表面
张力对气泡运动的影响，由能量守恒推导出多参数作用下空化气泡壁的运动方程[18-22]
d2R R dt2
+
3 ( dR )2 2 dt
=
1 ρ [( p0
+
2σ R0
−
Pv
)(
R0 R
)3k
+
（1;
PA sin 2π
ft
−
2σ R
−
4μ R
dR ] dt
模拟计算结果有所差异，该研究为超声空化技术的广泛应用提供参考。
关键词：动力学模型，超声，空化，因素分析
doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2013.17.004
中图分类号：O426.4
文献标志码：A
文章编号：1002-6819(2013)-17-0024-06
崔方玲，纪威. 超声空化气泡动力学仿真及其影响因素分析[J]. 农业工程学报，2013，29(17)：24－29. Cui Fangling, Ji Wei. Dynamic simulation of ultrasonic cavitation bubble and analysis of its influencing factors [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2013, 29(17): 24－29. (in Chinese with English abstract)
化泡运动进行了大量基础研究，通过建立不同的空化泡运动模型，对影响空化泡运动过程及崩溃时的温度和压力的影响因素进行模拟分析 [13-17]，但这些研究基本上是单因素条件下的仿真，不能综合反映各因素对空化效果的影响。鉴于此，本文基于考虑了液体表面张力、液体黏滞性、蒸汽压和辐射阻尼的气泡运动方程，通过研究声场频率、声压幅值、气泡初始平衡半径、反应体系主体温度和绝热指数对空化气泡运动过程的影响，探讨获得最佳空化效果的物理条件，为超声空化的广泛应用提供相应理论指导。
第 17 期
崔方玲等：超声空化气泡动力学仿真及其影响因素分析
25
考虑气泡振动时向液体辐射声波而存在辐射阻尼[23-24]，则上式变为
R
d2R dt 2
+
3 ( dR )2 2 dt
=
1 ρ
{(
p0
+
2σ R0
−
Pv
(
R0 R
)3k
+
Pv
−P0
+
PA sin 2π
f
−
2σ R
−
4μ R
dR dt
（2）
大，空化泡运动加剧，这也与文献[15]的结论相同。但是，随着声压幅值继续增大，空化泡半径在正压相内增大到一定程度后，在随后的负压相内未能被压缩到较小半径，从而导致空化泡崩溃时的温度和压力都减小，空化效应减弱。
从图 2c 可以看出，随着反应体系温度的升高和声压幅值的增大，空化泡振幅均变大，且空化泡振幅随声压幅值的变化较为明显。根据 pA＝(2ρcI)0.5 （pA 为声压幅值，ρ 为反应体系的密度，c 为反应体系声速，I 为超声功率密度）可知[32]，声压幅值的平方与功率密度成正比，在超声发射面积一定时，声压幅值随着超声功率的增加而增大。因此，要使空化泡运动剧烈，则需要较高的声压幅值，即较大的超声波功率。图 3 更直观的表示了反应体系温度和声压幅值对超声空化效果的影响。
+
R c
d dt
[(
p0
+
2σ R0
−
Pv
)(
R0 R
)3k
− PA sin 2π
ft]}
式中，R 为气泡瞬时半径，m ；R0 为气泡初始半径，
m ；pv 为气泡内的蒸汽压，Pa；pA 为超声声压幅值，
Pa；p0 为标准大气压强，Pa；σ 为反应体系的表面
张力，N/m；μ 为反应体系的黏度，Pa·s；k 为绝热
0引言
随着科学技术的发展，超声在化工、医疗、生物等众多领域得到了广泛的应用[1-6]。超声波的作用机制十分复杂，其催化化学反应的机理可分为力学效应、热效应、机械搅拌和超声空化 4 个方面。其中超声空化是引发各种物理、化学和生物效应的主要机理。超声空化效应是指在超声场的作用下，液体中的空腔（气泡）的形成、振荡、生长、收缩以至崩溃及其引发的物化变化，是引发化学反应的主要动力[7-8]。在超声波的交替周期波动中，液体产生的微小空穴，在濒临崩溃的瞬间产生高温高压，形成引发化学反应的局部高能部位。由于超声空化气泡从形成到崩溃的时间很短暂，到目前为止还不能实测空化气泡崩溃时产生的高温高压，只能通过建立空化气泡的动力学模型来模拟空化过程。
第 29 卷第 17 期 2013 年 9 月
农业工程学报 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering
Vol.29 No.17 Sep. 2013 24
超声空化气泡动力学仿真及其影响因素分析
崔方玲，纪威※
（中国农业大学工学院中国农业大学生物质中心，北京 100083）
（T=273.15～473.15K） 2）水的表面张力与温度的关系式[26-27]
σ = 0.09537 − 224 ×10−6T − 2560 ×10−7T 2 （4）
（T=273.15～373.15K） 3）水的黏度与温度的关系式[28]
μ = exp(−24.7 + 4209 / T + 0.04527 × T −3.376 ×10−5 × T 2 ) ×10−3
（5）
（T=273.15～643.15K） 4）水中声速与温度的关系式[29]
c = 1404.3 + 4.7(T − 273.15) − 0.04(T − 273.15)2 （6）
（T=273.15～373.15K）
1.2 空化泡崩溃时泡内的最高温度和最大压力
由于空化泡从收缩到崩溃的过程极其短暂，为
绝热过程，则空化泡崩溃时泡内的最高温度（Tmax）
与最大压力（pmax）可用下式表示[30]
Tmax = T[ pm (k − 1) / pv ] pmax = pmin [ pm (k − 1) pv ]k /(k −1)
（7）（8）
式中， pm 为气泡外部作用于气泡的总压力， pm=p0+pAsin2πft，Pa；pmin 为气泡初始平衡半径为 R0 时泡内总压力，pmin=p0+2σ/R0，Pa。
Rayleigh 首先建立了描述不可压缩液体中的气泡动力学的理论模型，此后 Plesset、Noltingk 和 Nippiars 等对其进行改进得到了 Rayleigh-Plesset 方程[9-12]。近年来不少学者对超声作用下液体中的空