Page 13 - 《应用声学》2020年第3期

第 39 卷 第 3 期 王舰航等： 超声对近壁微气泡溃灭过程的影响 333

继续流向气泡，气泡受外部流体的夹带，在凸起侧部 速度却达到 350 m/s，远大于一次溃灭的速度，这意
形成漩涡；随时间推移，外部液体沿壁面向远离气泡 味着溃灭作为一个完整过程，二次溃灭的影响甚至
方向流动，如图 3(c) 所示气泡在 t = 3.725 µs时，漩 要大于一次溃灭。
涡上移至凸起顶部，气泡内高速流体起主导作用带
1.5
动气泡向壁面移动。气泡体积的减小导致其内部压
1.0
力升高，在惯性的同时作用下射流向壁面移动，气泡 V⊳V 
被压缩到最小；在t = 3.845 µs时，如图 3(d)所示射 0.5
0
流穿透气泡，溃灭瞬间压强在穿透点处达到最大，中
心射流将气泡分成两个稍小的气泡。 p g /MPa 9
一次溃灭产生的中心射流将气泡分成两个稍 6
小的气泡，且在中轴线处存在碎小气泡向远离壁面 3
方向移动；一次溃灭结束后气泡开始二次溃灭，如 0
图 3(e)所示，高速射流受到壁面阻碍，液体沿壁面流 v max /(mSs -1 ) 300
向两侧，与其他部分流向气泡的液体在气泡边界相 200
100
遇产生旋涡。此时气泡内部的势能通过射流的形式
0
0 2 4 6
转化为动能，泡内压力骤降，且分裂后的气泡受外加 t⊳t c
超声影响被二次压缩；分裂后的气泡生长如图 3(f) 图 4 二次溃灭过程各参数随时间变化，R 0 = 100 µm，
所示，流体远离气泡流动，中轴线的碎小气泡继续上 f = 30 kHz，p d = 300 kPa，γ = 1.3
移。在射流冲击之前，液体流动是沿中轴线向壁面 Fig. 4 Each parameter of the secondary failure pro-
流动，但射流撞击壁面后，射流通道内的液体流动速 cess changes with time, R 0 = 100 µm, f = 30 kHz,
度显示出不同的方向，向下流动停滞后转而向上流 p d = 300 kPa, γ = 1.3
动，产生了反射流；如图 3(g) 所示，微气泡界面存在 2.2 最大射流速度
压差使得分裂后的两个气泡体积被继续压缩，周围
近壁微气泡溃灭时的最大射流速度是一个关
的液体向气泡运动，反射流与壁面附近流向气泡的
键指标，对壁面有重要影响，其中无量纲近壁距离是
流体在中轴线相遇形成漩涡，此时气泡已经完全分
影响最大射流速度的一个关键参数。图 5 给出了初
裂为许多更小尺度的碎气泡；溃灭的末期如图 3(h)
始半径分别为 60 µm、80 µm 和 100 µm 的3 种微气
所示，原先的单个大气泡分裂为多个碎小气泡的泡
泡在频率为30 kHz的超声作用下，在不同近壁距离
群继续膨胀压缩，由于壁面存在而产生的射流通道
时溃灭产生的最大射流速度的变化。
对溃灭过程的影响，溃灭末期的流场复杂，中轴线以
及壁面附近形成多个漩涡，碎小气泡分散在中轴线 450
R  =60 m
附近，该尺度下的溃灭结束。 400 R  =80 m
R =100 m
气泡溃灭过程中其形态和流场中各物理量会
发生剧烈变化。如图4所示，气泡在整个溃灭过程中 350
的泡内压力、最大射流速度以及气相体积变化过程。 v max /(mSs -1 ) 300
在第一次溃灭时，气泡最大压力、最大温度最大射 250
流速度以及最小体积基本同时发生，压力最大能达
200
到 10 MPa，速度最大达到 250 m/s 左右，最大温度
850 K 左右。一次溃灭结束后，气泡开始反弹膨胀， 150
1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6
此时气泡内部压力及速度均开始减小，当分裂后的 γ
气泡膨胀到最大体积时，气泡收缩，二次溃灭开始， 图 5 最大射流速度随不同壁面距离的变化
此时研究对象为两个被分裂的小气泡，其收缩区域 Fig. 5 Variation of maximum jet velocity with
的最大压力和温度明显小于一次溃灭，但最大射流 different wall distances