Page 14 - 《应用声学》2020年第3期
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334 2020 年 5 月
从图 5 中可以看出，随着近壁距离 γ 的增加，气 280
f=30 kHz
泡离壁面距离增大，壁面对气泡远壁面端的影响不 f=40 kHz
断减弱，气泡溃灭的最大射流速度逐渐降低，与文 260 f=50 kHz
献 [25]中的速度变化趋势相同。气泡距离壁面越近， v max /(mSs -1 )
其运动受壁面限制越明显；当气泡远离壁面时，壁面 240
对气泡的影响逐渐减小，其所受周围流体的压缩趋
220
于均匀，射流已经不能完全穿透气泡，气泡溃灭时产
生的射向壁面的速度也越小。
200
超声波频率对气泡溃灭最大射流速度也有重
50 60 70 80 90 100
要影响。图6 给出了初始半径分别为60 µm、80 µm R /µm
和100 µm的3 种微气泡，距壁面的无量纲距离恒为
图 7 最大射流速度随不同初始半径微气泡的变化
γ = 1.3 时，不同频率的超声波对最大溃灭射流速度
Fig. 7 Changes of maximum velocity with mi-
的影响。从图 6 中可以看出，气泡溃灭时的最大射
crobubbles of different initial radii
流速度随超声频率的增加而降低，与文献 [26–27]所
研究的速度变化趋势相同，对比文献 [28] 在相近频 3 结论
率范围内的模拟结果，超声频率的增加意味着溃灭
周期缩短，气泡没有足够的时间去储存和释放能量， 本文采用数值模拟方法研究了超声对近壁微
溃灭就已经开始，表征在最大射流速度上便是频率 气泡溃灭过程的影响。给出了超声作用下近壁微气
增加导致能量吸收不足，最大射流速度变小。 泡溃灭过程中的气泡形态和流场变化，针对本文所
用超声参数产生气泡射流穿透气泡的情况，分析了
300
R =60 m
R =80 m 微气泡近壁距离、初始半径和超声频率对最大射流
R =100 m
速度的影响，结果表明气泡溃灭最大射流速度与近
v max /(mSs -1 ) 250 壁距离无量纲参数 γ 在 1.1 ∼ 1.6 范围内时成正比，
与超声频率在 10 ∼ 60 Hz 范围内时成正比，与气泡
初始半径在 50 ∼ 100 µm 范围内时成反比；同时给
出了二次溃灭过程中微气泡附近流体运动情况，并
发现二次溃灭所能达到的最大射流速度要大于气
200
泡一次溃灭，相关结论对超声靶向给药和基因治疗
10 20 30 40 50 60
f/kHz
等技术提供理论依据。
图 6 最大射流速度随不同超声频率的变化
Fig. 6 Changes of the maximum velocity with 参 考 文 献
different ultrasonic frequencies
[1] Marzbali M Y, Khosroushahi A Y. Polymeric micelles as
气泡初始半径也会对最大溃灭速度产生影响。 mighty nanocarriers for cancer gene therapy: a review[J].
图 7 给出了频率分别 30 kHz、40 kHz、50 kHz 的超 Cancer Chemotherapy and Pharmacology, 2017, 79(4):
637–649.
声作用下，距壁面的无量纲距离恒为 1.3 时，不同初
[2] Zhu Z, Si T, Xu R X. Microencapsulation of indocyanine
始半径的微气泡溃灭时的最大射流速度的变化。从 green for potential applications in image-guided drug de-
图 7 中可以看出，气泡溃灭最大射流速度随气泡半 livery[J]. Lab on a Chip, 2015, 15(3): 646–649.
[3] Taniyama Y, Tachibana K, Hiraoka K, et al. Development
径的增加而增加，这与 Oguchi 等 [25] 的研究结果中
of safe and efficient novel nonviral gene transfer using ul-
最大射流速度随超声频率的变化趋势相同。从能量 trasound: enhancement of transfection efficiency of naked
角度分析，气泡系统的内能、动能与势能之和等于 plasmid DNA in skeletal muscle[J]. Gene Therapy, 2002,
气泡的原始势能与施加超声波的能量，同等超声波 9(6): 372–380.
[4] Taniyama Y, Tachibana K, Hiraoka K, et al. Local deliv-
能量下，初始半径越大，原始势能越大，因此产生的
ery of plasmid DNA into rat carotid artery using ultra-
最大射流速度相应增加。 sound[J]. Circulation, 2002, 105(10): 1233–1239.
