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第 37 卷 第 5 期 白立新等： 液体薄层中的超声空化 625

性。这些空化结构的形成机制可能不尽相同，但是
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Pressure decrease L 主导空化云形状保持和恢复的机制可能是相似的。
由于多数空化结构都是三维的，不易观察，且与周围
σh 物理环境存在复杂的传质过程，不宜进行稳定性研
究。而液体薄层的准二维结构使薄层内部几乎所有
σhL⊳R
Pressure decrease 空泡都能够清晰成像，便于观察，且薄层空化云与外
R 界的质量交换较少，易于控制。所以我们对薄层空
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化结构的稳定性进行研究，得出的结论在一定程度
上也适用于三维结构的空化云。
空化云的位置和水区的分布虽然不断发生变
θ
化，但是图 22 的 Disc-shaped structures 和图 23 的
Rod-shaped structures一直保持整体形态和一些参

图 21 弯曲 Rod-shaped structure 的形成机理 数的相似与稳定。除了上述功率和边界的变化引
Fig. 21 Schematic diagram of the mechanism of 起空化结构的演化之外，空化核的变化也能引起空
formation of curved Rod-shaped structure 化结构的变化 (如图 24、图25 所示)。当空化结构受

到水射流冲击后 (因为射流携带了大量新鲜空化核，
3 液体薄层中超声空化结构的宏观稳定性
而这些空化核降低了空化阈值，在超声场的作用下，
我们发现，空化结构内部空泡的运动是相当无 这些气核发展成空泡，形成大面积空化云)，也可以
序的、不可预测的，然而组成的空化结构却具有相当 恢复到初始的准稳态空化结构。空化云在经历扰动
的稳定性，都具有在受到扰动后恢复宏观原状的特 后能够恢复原貌，具有明显的稳定性。

Disc-shaped structures ஝ᄬ 10 8 6 4 2 0 0 1 2 3 4 5 Disc-shaped structures ᄰय़/mm 20 5 0 0 1 2 3 4 5 400 ঴᫂ए/mm
25
300
15
200
10
100
0
௑ᫎ/s
௑ᫎ/s

图 22 空化结构的稳定性 (Disc-shaped) (f = 20 kHz, h = 0.82 mm)
Fig. 22 Morphological stability of cavitation structures (Disc-shaped) (f = 20 kHz, h = 0.82 mm)