Page 33 - 201805

第 37 卷 第 5 期 白立新等： 液体薄层中的超声空化 615

人工殖核产生的新型空化结构。Mettin 等 [12] 和
1 引言
Krefting等 [13] 研究了40 kHz驻波声场中的Jellfish
空化是指当液体的压强下降到足够低时液体 空化结构。
中空泡的生成及其后续的动力学行为 [1] 。空化现 液体薄层内的空化因其空间结构的特殊性，而
象是一种非常独特的物理现象，以其能量的高度聚 在其内部呈现出不同于一般的空化云形态。
集特性及其特有的力学的、光学的、声学的、化学 人们最先关注的薄层空化发生在滑动轴承中，
的效应，一百多年来持续地吸引着人们的关注和研 在轴颈和轴瓦之间有一层很薄的油膜。因为轴颈和
究兴趣。由高强超声在液体中传播而引起的空化 轴瓦并不完全同心，所以油膜的厚度也不一致。轴
我们称之为超声空化，超声空化已应用于许多工业 承旋转，在油膜薄的地方形成低压区，如果压力降低
领域，例如超声清洗、超声碎石、超声钎焊、超声化 到低于气化压力，就会发生空化，对轴承的工作产生
学、废水处理、过程强化、表面处理、细胞破碎、乳 不利影响。1979 年，Dowson 等 [14] 总结了前人的研
化、破乳、萃取、分散、结晶、掺混、纳米材料的制 究成果并结合自己的研究，对轴承中液体薄层的空
备等等。超声空化微观表现为一个个不断膨胀和溃 化现象进行了综述，形成了较完善的动压油膜轴承
缩的高频震荡的空泡，而每一个空泡就如一个个微 空化理论。滑动轴承中的液体薄层空化是由薄层内
型化学反应器或冲击波和微射流的发生器，超声空 流体高速运动引起的，属于一种水力空化。
化的上述诸多应用都是通过一个个这样的微米到 在探头粘着性测试 (Probe tack test) 中也会出
毫米级的空泡才发生作用的。基于光学成像的研究 现薄层空化现象。探头粘着性测试是一种用于测试
表明，超声空泡很少单个的孤立存在，而通常是以 粘性流体 (例如：压敏粘着剂 SPA) 在较小压力下贴
群集的形式出现 [2] 。但这些以空化云或空泡群形式 附在被粘物上的能力的测试方法。粘性流体摊开在
出现的大量空泡在空间上并非均匀排布，而是在超 一块硬的平板上形成薄膜(一般厚度为 100 µm)，然

声场中存在一定的相对稳定的空间分布，形成各种 后用一个平底探头压在薄膜上，并与之完全接触，几
空化结构 [3] 。产生空化的换能器以及相应的工作参 秒钟后以恒定的速度拉开探头，记录所使用的力。
数和工作环境虽然多种多样，但是空化结构的种类 在拉开瞬间，平板之间的粘性流体因为压力降低会
并不很多。Moussatov等 [4] 发现在换能器辐射面附 发生空化，形成许多不断长大的空泡，这些空泡以及
近存在一种 CBS(Conical bubble structures) 结构， 空泡之间的粘性流体交织成各种图案和花纹。探头
尽管组成这种结构的空泡串 (Streamer) 的空间位 粘着性测试是在 20 世纪 50 年代由 Wetzel 等 [15] 提
置并不很稳定，但是这种锥形结构可以一直保持 出的，随后逐步完善，目前已经成为一个广泛应用的
稳定。Dubus 等 [5] 提出了一种非线性厚度共振理 ASTM 标准 [16] 。探头粘着性测试中的液体薄层空
论，试图对这种锥形空化结构的物理机制进行解 化是由外力作用使整个流体压力突然降低而引起
释，他认为空泡结构的几何聚焦在其中扮演了重要 的，属于一种动力空化。
角色。Louisnard 等 [6] 认为是换能器附近的声速梯 当构成液体薄层的两个平面中的一个平面是
度分布以及惯性空泡强烈的能量耗散造成了这种 超声换能器的辐射面时，薄层内的液体因为换能器
锥形空化结构。Bai 等 [7] 研究发现这种锥形结构与 的振动而发生空化，此时的薄层空化属于超声空化。
辐射面的振动模态有关，不同的振动模态可导致不 最初人们并没有刻意地关注薄层超声空化，但是在
同的声场辐射力方向，进而可形成不同的锥形空化 标准 ASTM G32-85 [17] 中已经开始利用类似的薄
结构。ALF(Acoustic Lichtenberg figure) 结构是另 层结构来测试材料的抗空蚀性能，标准 ASTM G32
外一种常见的声空化结构。Parlitz 等 [8] 和 Mettin 经过多次修订，最新版本是 ASTM G32-10 [18−19] 。
等 [9] 在空化核源分布不均匀假设前提下数值模拟 尽管人们对液体薄层超声空化知之甚少，但是早在
复现了 ALF 结构的形态。此外，Bai 等 [10−11] 实验 1990 年 Wit [20] 已经申请了具有薄层结构的用于织
研究了 SMOKER 空化结构及 TBS(Tailing bubble 物清洗的超声空化装置的专利。随后关于织物薄层
structure)、JBS(Jet-induced bubble structure) 和 超声清洗的研究性论文陆续出现 [21−25] ，然而这些
ACBS(Artificial cone-like bubble structure) 几 种 论文的研究重点是织物的清洗，而非薄层空化本身。