Page 71 - 《应用声学》2021年第6期
P. 71
第 40 卷 第 6 期 俞启东等: 超声空化及其声流结构实验研究 867
流场的速度。光源是一个双头 Nd:YAG 激光器,光 下端面处观察到由大量空化气泡均匀分布组成的
束扩展可到 1 mm 宽。对于实际的数据采集,利用 倒锥状结构,该种空化结构被称为“锥形空泡结构”。
商业 PIV 软件 Dynamics Studio 对速度矢量场进行 气泡是由于超声波的剧烈波动从而导致的空化作
处理,查询区域一般为32 × 32像素,重叠率为50%。 用而产生的,并且这些空化气泡初始产生位置为变
为了消除错误向量,在PIV 后处理中通过指定相对 幅杆的辐射面。可以观察到,大量的空化气泡之间
公差使用滤波器进行处理。 通过自组织效应远离变幅杆的声辐射面,并朝向远
离声辐射面对称轴上的某一固定点运动,从而形成
2 结果与讨论 倒置的锥形空泡结构。在该固定点附近,当超声强
度低于空化阈值,空化气泡几乎全部溃灭消失。值
图2给出了当输入功率为100 W时的锥形空泡 得注意的是,随着时间的瞬态演化,锥形空泡结构的
结构瞬态演化过程。图像是当联通超声空化装置、 形态并未发生明显的变化。结果表明,当输入功率
待变幅杆稳定之后,通过高速摄像机拍摄所得。图 一定时,锥形空泡结构的形态不会随时间发生显著
像之间的时间间隔为50 ms。如图2 所示,在变幅杆 变化。这种现象在流体领域被称为稳态流动。
(a) (b) (c) (d)
(e) (f) (g) (h)
图 2 超声空化形态瞬态演化
Fig. 2 Transient evolution of ultrasonic cavitation morphology
图 3 给出了当输入功率为 100 W 时锥形空泡 体的黏性效应较大,两侧流体在射流型声流的黏性
结构附近的流场结构速度云图和流线图。由于锥 力剪切作用下形成方向相反的回旋运动。由于射
形空泡结构的瞬态演化过程为稳态,本文中采用 流型声流的速度显著大于回旋流,本文中 PIV 的研
时均 PIV 测量系统对锥形空泡结构附近的流场结 究主要集中在变幅杆下端面附近的射流型声流的
构进行了定量测量。CCD相机捕获了100组瞬时粒 高速区域。
子图像对 (image pair),并对它们进行了平均化处 为了进一步定量研究射流型声流的速度场结
理,得到了声流场的时均速度值。图像对之间的间 构,图 4 给出了 PIV 所得的射流型声流高速区域
隔为 400 µs。如图 3 所示,在超声变幅杆附近产生 的速度云图 (图 3 中红色虚线矩形区域)。x 轴为无
了两种不同的声流形式:第一种是变幅杆底端的 量纲参量 x/D,y 轴为无量纲参量 y/D,z 轴为流
射流型声流 (Acoustic jet-like streaming);第二种 场速度,底面为速度梯度的等高线图。空间位置
是变幅杆两侧的回旋流 (Recirculation flow)。射流 (x/D = 0, y/D = 0) 处为超声变幅杆的中心位置。
型声流是由于超声变幅杆的超声辐射力作用,促 如图 4 所示,超声变幅杆下端面附近射流型声流的
使变幅杆底部流体朝底部运动。变幅杆两侧的流 速度出现尖峰值U = 0.45 m/s。当射流型声流远离
体虽未受到超声辐射力的直接作用,但是由于流 变幅杆端面时,速度值迅速降低至 U = 0.15 m/s 左