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超声空化气泡动力学行为研究

作　者: 马奭文
导　师: 张明铎
学　校: 陕西师范大学
专　业: 生物物理学
关键词: 超声空化微元面受力分析数值计算
分类号: O427.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

随着科技的进步,声空化在实际生产中的应用越来越宽泛,对声空化的研究也因此倍受关注。在气泡动力学行为的研究中,对泡壁上作用力鲜有人分析,对气泡是否崩溃也尚无合理的解释。本文通过泡壁上作用力的分析,并不能断定气泡在何时消亡,但在一定程度上对气泡的崩溃过程有了新的认识和理解。本文采用气泡的球形模型,对泡壁微元面上的作用力进行了分析,将泡壁上作用力按来源不同,分为内压力(气泡内部气体产生的压力)、外压力(液体静压和声压的和)、表面张力、粘滞力和辐射阻尼力(由于自身振动产生的反作用力),并对泡壁上各作用力进行了数值求解。通过分析不同溶液物理参数和声参数下,泡壁上作用力和气泡半径的对应关系,得出了如下结论：(1)气泡初始半径的大小影响着气泡能否崩溃,初始半径过大或过小的气泡都不能崩溃。若气泡能发生崩溃,随着气泡初始半径的增大,小幅振荡部分逐渐消失；若气泡不能发生崩溃,气泡在合力作用下做稳定振荡。初始半径对气泡是否崩溃的影响较为复杂,对于不同初始半径的气泡,泡壁上作用力的大小以及所起作用,在气泡运动的各个阶段均不一样,与不能发生崩溃气泡的最大差异就是,气泡在压缩至崩溃过程中,辐射阻尼力对气泡的影响较为显著。(2)随着表面张力系数的增大,气泡小幅振荡部分越来越显著,当表面张力系数增大到一定值时,小幅振荡部分消失,气泡做周期性的稳定振荡。表面张力系数主要影响表面张力,在较大表面张力系数的影响下,气泡会过早的进入压缩相,这使得起主要压缩作用的外压力未能在合适的时间内起到应有的作用,而且,较长时间的压缩相还使得内压力缓慢增大并严重阻碍了气泡的回缩,最终导致气泡不发生崩溃现象。(3)随着粘滞系数的增大,气泡小幅振荡部分逐渐消失,粘滞系数增大达到一定值时,气泡做周期性的稳定振荡。粘滞系数主要影响粘滞力,粘滞力一直起阻力作用,增大粘滞系数后,粘滞力的作用更为显著,使得气泡的膨胀和压缩相均受抑制,最终导致气泡不能发生崩溃。(4)随着饱和蒸汽压的增大,气泡的小幅振荡部分逐渐消失。当饱和蒸汽压增大到一定值后,气泡不发生崩溃,且泡半径随时间具有持续性增大的趋势。饱和蒸汽压主要影响内压力,饱和蒸汽压增大到一定值后,泡半径的变化对内压力的影响微乎其微,内压力随时间呈稳定变化,内压力的相对稳定使得使合力呈正弦变化,周期性合力使气泡在膨胀相增大到如此之大,以至于它在压缩相内来不及发生崩溃。(5)声频率低于气泡的共振频率时,气泡可以发生崩溃,随着声频率的持续增大,气泡趋于稳定振荡而不发生崩溃。声频率主要影响外压力,声频率较大时,外压力的变化较快,这使得气泡的膨胀和压缩时间都较短,气泡在压缩相来不及发生崩溃。(6)气泡膨胀和压缩是内外力具有差值时的动力学过程,若合力方向与本文中规定的正方向相同,则促进气泡的生长,反之气泡膨胀受抑制进入压缩相。若气泡能发生崩溃,泡壁上表面张力以及内压力方向不发生变化,但力的大小出现极大与极小值之间的瞬时突变；粘滞力、辐射阻尼力的方向发生瞬时改变,力的大小出现极大与极小值之间的瞬时突变。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-10
第1章引言  10-14
  1.1 超声空化研究进展  10-11
    1.1.1 对单泡的研究进展  10
    1.1.2 对双泡的研究进展  10-11
    1.1.3 对多泡的研究进展  11
    1.1.4 相关实验进展  11
  1.2 声空化场测量方法  11-12
    1.2.1 水听器法  11-12
    1.2.2 铝箔腐蚀法  12
    1.2.3 染色法  12
  1.3 本论文的研究内容及其安排  12
  1.4 本章小结  12-14
第2章单空化泡运动控制方程理论  14-20
  2.1 声空化阈  14
  2.2 单空化泡运动方程  14-17
    2.2.1 受力分析  14-16
    2.2.2 单泡动力学微分方程推导  16-17
  2.3 空化泡运动方程的求解  17-18
    2.3.1 函数程序  17-18
    2.3.2 主程序  18
  2.4 本章小结  18-20
第3章初始泡半径对气泡动力学行为的影响  20-34
  3.1 泡半径变化规律  21-22
  3.2 泡壁上表面张力变化规律  22-23
  3.3 泡壁上粘滞力变化规律  23-24
  3.4 泡壁上辐射阻尼力变化规律  24-25
  3.5 泡壁上内压力变化规律  25-26
  3.6 泡壁上外压力变化规律  26-27
  3.7 泡壁上合力变化规律  27
  3.8 气泡初始半径对气泡能否发生崩溃的影响  27-32
    3.8.1 对不发生崩溃气泡的数值计算及其分析  27-29
    3.8.2 对能发生崩溃气泡的数值计算及其分析  29-32
  3.9 本章小结  32-34
第4章表面张力系数对气泡动力学行为的影响  34-42
  4.1 泡半径变化规律  34-35
  4.2 泡壁上表面张力变化规律  35
  4.3 泡壁上粘滞力变化规律  35-37
  4.4 泡壁上辐射阻尼力变化规律  37
  4.5 泡壁上内压力变化规律  37-38
  4.6 泡壁上外压力变化规律  38
  4.7 泡壁上合力变化规律  38-39
  4.8 表面张力系数对气泡能否发生崩溃的影响  39-40
  4.9 本章小结  40-42
第5章粘滞系数对气泡动力学行为的影响  42-50
  5.1 泡半径变化规律  42-43
  5.2 泡壁上表面张力变化规律  43
  5.3 泡壁上粘滞力变化规律  43-45
  5.4 泡壁上辐射阻尼力变化规律  45
  5.5 泡壁上内压力变化规律  45-46
  5.6 泡壁上外压力变化规律  46
  5.7 泡壁上合力变化规律  46-47
  5.8 粘滞系数对气泡能否发生崩溃的影响  47-49
  5.9 本章小结  49-50
第6章饱和蒸汽压对气泡动力学行为的影响  50-58
  6.1 泡半径变化规律  50-51
  6.2 泡壁上表面张力变化规律  51
  6.3 泡壁上粘滞力变化规律  51-53
  6.4 泡壁上辐射阻尼力变化规律  53
  6.5 泡壁上内压力变化规律  53-54
  6.6 泡壁上外压力变化规律  54-55
  6.7 泡壁上合力变化规律  55
  6.8 饱和蒸汽压对气泡能否发生崩溃的影响  55-56
  6.9 本章小结  56-58
第7章超声频率对气泡动力学行为的影响  58-66
  7.1 泡半径变化规律  58-59
  7.2 泡壁上表面张力变化规律  59
  7.3 泡壁上粘滞力变化规律  59-61
  7.4 泡壁上辐射阻尼力变化规律  61
  7.5 泡壁上内压力变化规律  61
  7.6 泡壁上外压力变化规律  61-63
  7.7 泡壁上合力变化规律  63
  7.8 声频率对气泡能否发生崩溃的影响  63-64
  7.9 本章小结  64-66
总结与展望  66-68
参考文献  68-72
致谢  72-74
攻读学位期间研究成果  74

超声空化气泡动力学行为研究

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