Page 71 - 《应用声学》2021年第6期
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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
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