Page 41 - 201805

第 37 卷 第 5 期 白立新等： 液体薄层中的超声空化 623

现出一定的整体性。因为无空泡区域没有空化云的 核源的角色。因为二阶 Bjerknes 力的作用，这些空
遮挡，声能没有被耗散，所以声压振幅较高，而接近 泡贴附壁面，嵌入到壁面的罅隙处，使头部的核源空
空化云的区域因为空泡的吸收和散射，声压振幅较 泡在这种附着力 (F pit ) 的作用下平衡掉了 F surface
低，主 Bjerknes 力的作用推动空泡向低压力振幅区 和F primary 保持稳定在原来的位置。当然，从更长的
域聚集，这一性质倾向于维持现有的空化结构，使空 时间尺度看，也可能因为空化云的演化，破坏了原
化结构具有稳定性。在这样的背景下，我们分析空 来的压力分布，改变了 Smoker 头部的力量平衡，使
化结构的特征元素，Smoker structure，Rod-shaped Smoker 或前进或后退或发生方向的偏转。空化云
structure，和Y-branch structure(如图18所示)。 头部的所有空泡基本都贴附在壁面上。B 为Smoker
Smoker structure 可以认为是一种特殊的带有 的中段，此段Smoker的宽度基本相等，呈直杆状，此
端点的 Rod-shaped structure，我们可以将 Smoker 时宏观表面张力为零，由于压力梯度的存在，两侧的
分为三段 (如图 18 所示)。A 为 Smoker 的头部 (如 主 Bjerknes 力推动空泡向轴线处汇集，而空泡之间
图 19 所示)，由一些较大的空泡组成，因为 Smoker 的二阶Bjerknes力也使空泡相互汇聚，所以Smoker
的头部深入到水区的核心，此处压力振幅较高，所以 中段呈现出较大空泡线性排布于轴线处，周围的小
空泡溃灭剧烈，碎裂的空泡被主 Bjerknes 力和宏观 空泡向大空泡汇聚。而这些大空泡和小空泡在轴线
的表面张力拉向Smoker的尾部，使头部的空泡扮演 方向上力并不平衡，在主Bjerknes力的作用下，空泡

F pit
A
primary
F surface F Bjerknes
primary
F
Bjerknes
B F surface = 0, R→∞
secondary
F
Bjerknes
C F surface R
F pull
primary
F Bjerknes
V
Pressure decrease primary
F
Bjerknes
primary
F
primary Bjerknes
F F pit
Bjerknes
secondary F pull
F F surface F pull
Bjerknes secondary
secondary F
F Bjerknes
Bjerknes F surface = 0, R → ∞
图 18 Rod-shaped cavitation structure 产生的机理
Fig. 18 Schematic diagram of the mechanism of formation of Rod-shaped cavitation structure
(a) (b) (c) (d)

(a1) (a2) (a3) (a4)

(a5) (a6) (a7) (a8)
图 19 换能器辐射面上的 Smoker structures
Fig. 19 Smoker structures on the radiating surface