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超声空化对刚性壁面的作用研究

作　者: 刘如军
导　师: 林书玉
学　校: 陕西师范大学
专　业: 声学
关键词: 超声空化固壁面动力效应初始半径
分类号: O426.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
下　载: 245次
引　用: 3次
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内容摘要

近年来随着科学技术的发展超声的应用越来越广泛，除了传统的超声清洗、测量外，在机械、医疗、化工、国防等领域也发展很快。特别近年来超声在医疗方面的应用受到了很大的重视。如HIFU技术，超声治疗肿瘤，超声治疗脑血管疾病等等备受医学界的重视。但是，超声应用的一个重要机理--超声空化仍然是个未解的难题。本文就超声空化的力学效应，即空化泡崩溃过程中对邻近壁面的力学效应进行了研究，以揭示超声空化的应用机理。本文应用的是理论数值计算的方法。首先，根据气泡动力学理论，在不可压缩流体中推导出考虑粘滞损耗、表面张力和声辐射的Rayleigh方程。而后应用龙格-库塔方法对它进行了求解，特别就不同初始半径的空化泡进行求解。结果表明：空化泡初始半径的大小在空化泡生长和溃灭过程中起决定性作用。与声波共振气泡相比较大的空化泡在声波的作用下将很难崩溃，它是稳态空化泡；相反较小的空化泡在声波的作用下很易崩溃，是瞬态空化泡。求解出空化泡半径变化规律之后，本文应用数值微分的方法，求出不同初始半径空化泡壁的膨胀和崩溃速度。之后与理论流体动力学相结合分别计算出不同大小初始半径的空化泡在膨胀和崩溃过程中其外围产生的压强。计算结果表明：无论空化泡半径大小与否，空化泡膨胀和压缩过程中在空化泡外都将形成一个很小的低压球壳。接着本文对不同初始半径的单个空化泡在刚性壁面附近的溃灭过程进行了研究。在这个过程中应用了镜像和势流函数相结合的方法，计算出空化泡在该刚性壁面附近崩溃时在壁面形成的流场，最后应用伯努力方程算出该壁面的压强分布。计算结果表明：单个空化泡在刚性壁面附近溃灭，在壁面上形成了很大的压强差。以空化泡球心正对的壁面上的点为圆心形成一个很小的低压环。该低压环的出现，导致了冲击波的出现；空化泡崩溃过程在壁面形成的低压环强度要远远大于其膨胀过程在刚性壁面形成的低压环，即空化效应应该出现在空化泡崩溃的阶段。与单空化泡在刚性壁面附近的情况类似，本文对三空化泡在刚性壁面附近溃灭的过程进行了同样的计算。不同的是势流函数的不同，并且在此过程中认为空化泡间的距离较大，彼此之间没有相互作用。在此假设三空化泡是相同的，即同大小，同半径，同相位。计算结果表明：三空化泡在刚性壁面附近崩溃，对壁面形成的压强差和单空化泡类似。不同的是在同样的条件三个空泡的作用效果更加强烈。同样，不同大小的空化泡对刚性壁面的作用大小不同。随着三空化泡初始半径的减小，三空化泡对刚性壁面的压强作用逐渐增强。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-8
第一章引言  8-14
  1.1 超声空化的理论发展与数值计算  8-10
  1.2 超声空化的实验研究  10-12
    1.2.1 空化泡溃灭过程中形态和动力的测量和研究  10-11
    1.2.2 声致发光的测量  11-12
  1.3 超声空化的应用及本文的研究课题  12
  1.4 本论文的安排  12-14
第二章空化泡动力学理论  14-19
  2.1 气泡运动方程的推导  14-16
  2.2 气泡的自然共振频率  16-19
第三章空化泡运动方程的求解  19-26
  3.1 空化泡运动方程的数值解  19-20
  3.2 有关气泡崩溃速度的讨论  20-26
    3.2.1 固定声压条件下气泡崩溃随气泡初始半径的变化规律  20-26
第四章空化泡外围压强的分布  26-33
  4.1 模型的建立  26
  4.2 空化泡膨胀或崩溃的速度  26-29
  4.3 空化泡膨胀和压缩过程中其外围压强的分布状况  29-33
    4.3.1 空化泡膨胀过程中外围压强的分布  29-31
    4.3.2 空化泡压缩过程中外围压强的分布  31-33
第五章单泡对刚性壁面的作用  33-43
  5.1 模型的建立  33-34
  5.2 空化泡等效源强度  34-36
  5.3 不同初始半径空化泡对刚性壁面的作用  36-43
第六章三空化泡对刚性壁面的作用  43-53
  6.1 模型的建立  43-44
  6.2 空化泡等效源强度的求解  44-45
  6.3 三空化泡空化对刚性壁面的作用  45-53
总结与展望  53-54
参考文献  54-58
致谢  58-59
硕士期间科研成果  59

超声空化对刚性壁面的作用研究

内容摘要

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