Page 27 - 《应用声学》2021年第3期

第 40 卷 第 3 期 徐珂等： 单泡超声空化仿真模型的建立及其动力学过程模拟 345

表 1 有限元法相关参数设置
Table 1 Parameter setting of finite element method

设置项目 设置内容
求解方式 Pressure-based transient
Solution Methods PISO Second Order Upwind
计算模型 VOF, k-epsilon Explicit, Realizable, Standard Wall Functions
液相 (主) water-liquid 气相 (副) water-vapor
材料 密度 1000 kg/m 3 密度 0.02558 kg/m 3
黏度 0.001 kg/m·s 黏度 1.26 × 10 −6 kg/m·s

1.3 仿真模型验证 之一周期，21 µs以后为单泡膨胀压缩做往复运动阶

为了验证本文建立的有限元仿真模型的可靠 段。由此可以看出气泡形态随时间的演化规律是先
性，依据文献[19]中超声空化的相关实验数据，对初 缓慢膨胀，到达最大值后，迅速塌缩后消失。由仿真
始半径 R 0 = 6.18 µm 的超声空化泡的动力学行为 计算的空化泡的形态变化图可知，球形气泡在超声
进行了仿真模拟。根据文献[19]，计算过程中驱动声 波驱动下其空化泡的变化形状并非理想的球形，而
压幅值 P a = 1.29 atm (1 atm = 101325 Pa)，频率 是沿声压激励方向向两边分裂。这也与相关实验观
f = 25 kHz，根据超声频率可知驱动信号的周期为 察 [20−21] 所得结论一致。
40 µs，设置时间步长为 0.02 µs，步数为 2000 步。仿 基于上述超声驱动下气泡演变过程的有限元
真计算的空化泡的形态变化过程如图2所示。 仿真模型，通过计算获得不同时刻空化泡的形态图
图 2(a)∼(j) 为气泡膨胀阶段，约占驱动信号的 像后，用图像处理算法，通过读取不同时刻的气泡图
二分之一周期，其中图 2(j) 为单泡最大半径时图像； 像，将气泡区域的像素进行计数并转换成气泡面积，
图 2(j)∼(n) 为气泡塌缩阶段，约占驱动信号的十分 根据气泡面积计算出不同时刻的气泡半径，从而获

(a) 0 µs (b) 2 µs (c) 4 µs (d) 6 µs (e) 8 µs

(f) 10 µs (g) 12 µs (h) 14 µs (i) 16 µs (j) 17.3 µs

(k) 18 µs (l) 19 µs (m) 20 µs (n) 20.4 µs (o) 20.6 µs
图 2 不同时刻气泡的形态变化情况
Fig. 2 The shape change of the bubble at different time