Page 29 - 《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 347

如图 5 中 p 0 曲线所示，单泡泡内压强先缓慢减 压强开始增加。在单泡压缩阶段，泡外声压在声波
小后迅速增大，在 t = 20.60 µs 达到最大值 87 atm 激励方向和垂直方向压强变化出现明显差异，从而
后迅速减小并做往复变化。结合图2 和图3发现，泡 导致在超声空化过程中气泡呈非规则球形变化。
内压强变化与单泡体积变化成反比。 当 20.60 µs < t < 40 µs 时，如图 5 所示，泡外
当 t 小于 16.30 µs 时，单泡处于膨胀阶段。如 压强随距离单泡中心点的距离增大而减小。同时，
图 5 所示，在 t = 6.40 µs 之前，p 1 与 p 5 曲线、p 2 与 在声压垂直方向的压强值要高于声压激励方向。对
p 6 曲线、p 3 与 p 7 曲线和 p 4 与 p 8 曲线分别重合且逐 比单泡形态变化，就是在单泡压缩阶段以后，单泡
渐递减，表明在单泡膨胀阶段，泡外压强在声波 不再是规则的球形，并且沿声压激励方向向两边分
激励方向和声波垂直方向上与泡中心相同距离处 裂 [20] ，导致声压垂直方向的压强值要高于声压激励
压强相同，两个方向的泡外压强随着与泡中心距 方向。
离的增加逐渐递减。当 t = 6.40 µs，单泡半径达
2.2 超声作用下单泡泡内及附近气体密度变化
到 R = 10 µm，此时单泡的表面正好膨胀到 p 1 和
p 5 监测点的位置，随着时间的推移单泡进一步膨 在与上述相同边界条件下对单泡泡内及泡外
胀，p 1 、p 5 进入泡内，p 1 和 p 5 曲线加速向 p 0 曲线靠 附近气体密度变化进行了研究。图 6 为图 4 中 9 个
监测位置处气体密度随时间变化曲线。
拢，并在 7.2 µs时与 p 0 曲线重合，从此刻开始p 1 、p 5
和 p 0 点的压强相同。在 t = 10.6 µs 时，单泡半径 如图 6 中 p 0 曲线所示，单泡泡内气体密度先
R = 20 µm，此时p 2 和p 6 监测点也正好位于单泡表 缓慢减小后迅速增大，在 t = 20.60 µs 达到最大值
3
面处，随着时间的增加单泡进一步膨胀，p 2 和 p 6 监 103 kg/m ，然后迅速减小并做往复变化。结合图 2
测点也进入泡内，p 2 、p 6 曲线也开始加速向 p 0 曲线 和图 3 发现，泡内气体密度变化与单泡体积变化成
靠拢，并在 12 µs 时与 p 0 曲线重合，从此刻开始 p 2 、 反比。由图 6 可知，单泡在缓慢膨胀阶段，泡内密度
p 6 与 p 1 、p 5 和 p 0 点的压强都相同。由此可见，在单 各处相同且逐渐减小，泡外各处密度随距泡心距离
泡膨胀过程中，当监测点刚进入泡内时，相关检测点 的增大而减小，且泡外密度在声压激励方向和声压
的压强与泡中心的压强有一定差别，但随着时间的 垂直方向始终相同。单泡在压缩阶段，单泡附近气
推移，相关监测点处压强会加速与泡中心点压强趋 体密度增大，并且声压激励方向气体密度变化相对
于一致。 垂直方向较大，在声压垂直方向气体密度要大于声
当 16.30 µs < t < 20.60 µs 时，泡外压强大于 压激励方向气体密度，对比单泡形变，说明单泡压缩
泡内压强，单泡处于压缩阶段，随着泡的压缩，泡内 过程中发生了沿声压激励方向的形变，单泡在压缩
110
20
100 2.5 18 p  p 
p 
p 
16
p  p  p 
90 2.0 p  14 p  p 
p 
12
80 ᄣ฾གࠛए/(kgSm -3 ) 1.5 p  ᄣ฾གࠛए/(kgSm -3 ) 10 8 6 p  p 
p 
p 
p 
p 
p 
ᄣ฾གࠛए/(kgSm -3 ) 60 1.0 0 p  4 2 0 26 28 30 t/ms 34 36 38 40 p 
p 
p 
70
p 
p 
p 
p 
0.5
32
50
40
30 0 2 4 6 t/ms 8 10 12 14
20
10
0
0 5 10 15 20 25 30 35 40
t/ms
图 6 监测点的气体密度变化曲线
Fig. 6 Variation curve of gas density at monitoring points