Page 72 - 《应用声学》2021年第6期

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右。在远离超声变幅杆的径向位置处，速度值几乎 得声流结构的运动况，图5(b) 给出了基于 PIV 系统
稳定在U = 0.1 m/s。结果表明，超声变幅杆振动诱 的声流速度场云图，其中红色虚线所构成的三角形
发的射流型声流的速度远大于回旋流，并且流场结 为空泡形态，是通过提取图 2 中高速摄像结果的平
构与空间分布紧密相关。 均值所得。由图 5(b) 可知，声流结构的主要运动情

况分布在锥形空泡区域，而在锥形空泡结构之外的
ࣱکᤴए
/(mSs -1 ) 区域速度非常低。通过对比图 5 可得，声流是由气
૱ᑟ٨
0.45 泡流动带动而产生的。为了进一步定量研究空泡运
0.40
0.35 动与声流运动之间的对应关系，图 6 给出了不同输
0.30
0.25
0.20 入功率作用下空泡速度与声流速度对比图。如图 6
0.15
0.10 所示，声流速度和空泡速度呈正相关，进一步表明声
0.05
0
流是由气泡流动带动而产生的。
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图 3 超声空化流场结构速度云图
Fig. 3 Velocity contour of ultrasonic cavitation
flow field 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
ࣱکᤴए/(mSs -1 )
(a) ᰴᤴ୊ॖፇ౧ (b) PIVፇ౧
图 5 空泡运动与声流运动对比图
0.4 Fig. 5 Comparison of cavitation and acoustic flow
ࣱکᤴए/(mSs -1 ) 0 4
0.2

3
0
1.0 2.0
1.0 2
2.0 0 ࣱکᤴए/(mSs -1 )
-1.0
y/D
3.0 -2.0 x/D
图 4 3D 超声空化流场结构速度云图 1
ቇจᤴए
Fig. 4 3D velocity contour of ultrasonic cavitation ܦืᤴए
0
flow field
50 100 150 200 250
ᣥКҪဋ P in /W
为了研究空泡结构与声流结构之间的对应关
系，图5 给出了锥形空泡运动与声流运动的对比图。 图 6 不同输入功率作用下空泡速度与声流速度对
比图
其中，图5(a) 是基于高速摄像系统所得的锥形空泡
Fig. 6 Comparison of cavitation velocity and
结构。为了研究空泡结构的运动情况，采用光流法
acoustic velocity under different input power
(Optical flow method) 对空泡结构中的典型气泡进
行追踪。图5(a)中箭头表征为气泡在一定时间间隔 为了进一步研究声流结构在空间分布情况，
内的运动轨迹，通过计算气泡的运动轨迹和时间间 图 7 给出了输入功率对不同径向位置处声流速度的
隔可推算出气泡的运动速度值。光流法的具体介绍 影响。观测位置为在超声变幅杆的中心轴线上的
详见文献 [1]。如图 5(a) 可知，锥形空泡结构内部的 0.5D、D、2.0D 和 2.5D 处的平均速度分布。如图 7
气泡存在垂直向下的运动趋势，而在锥形空泡结构 所示，对于相同的 y/D 值来说，输入功率的改变显
之外的区域不存在流体运动的情况。此外，为了获 著影响了射流型声流的速度分布：当输入功率增加