PDF《超声清洗过程环境压力对声空化效应的影响∗》

1 atm). Kondic 等[3] 研究了环境压力对单泡声致发光的影 响, 发现压力仅仅减小 5%, 声致发光的辐射强度就 增加了 200%;

Dan 和Cheeke 等[4] 研究了环境压力 对单泡声致发光辐射光子数目的影响, 发现光子数 目随压力减小而线性增加;

杨日福等 [5] 通过对亚临 界水中超声激励空化泡的动力学分析, 得到了环境 压强与温度对空化泡运动过程的影响结果;

Lu等[6] 研究了环境压力对脉冲式放电产生气泡特性的影 响, 发现气泡再膨胀时产生的二次冲击波的峰值压 力随环境压力增大而减小. 然而, 现有的对空化泡动力学的评估参数主要 围绕气泡半径、 泡内压强和泡内温度这三个参量展 开[5?7] , 其在反映空化效应时有一定局限性.本文 在分析以上三个参量的基础上, 考查了空化过程中 气泡溃灭的释放能量与溃灭功率 [8] 这两个更直接 体现空化效应强弱的概念, 从能量与功率的角度来 反映空化泡溃灭的剧烈程度.空泡的剧烈溃灭伴随 强冲击力和微射流产生.溃灭过程释放能量越大, 空化泡传递给周围液体的机械能就越大, 形成的微 射流动能越大, 达到的清洗效果也就越好;

另一方 面, 空化溃灭功率越高, 气泡溃灭越剧烈, 造成液体 分子间的碰撞越激烈, 产生的冲击力越大, 从而对壁 面污物的撞击与清洗作用就越强, 因此空化释放能 与溃灭功率是体现空化强度与超声清洗效果的重 要指标.本文通过研究不同环境压力条件下空化泡 最大半径、 释放能量与溃灭功率等参数的变化规律, 并综合考虑了声频率与声压对结果的影响, 可以为 超声波在不同深度水环境下实现大功率超声清洗 提供借鉴依据.

2 数学模型 超声清洗过程实质上是多气泡环境的作用结 果. 文献[9]指出, 与单空化泡情况相比, 声场作用下 泡群中空化泡运动变化的周期性下降, 但基本还是 缓慢膨胀, 剧烈压缩, 然后反弹的脉动模式.可见单 泡与泡群中气泡的运动特性虽有差异但基本相似, 而此差异对本文考察的参量影响不大, 因此, 为简化 模型, 本文以单泡模型进行计算. 假设空化泡始终以球形作径向运动, 考虑液体 的可压缩性、 表面张力、 粘滞性和蒸汽压等因素, 并 假设泡内蒸汽压在空化周期内始终保持恒定, 不考 虑气体扩散、 质量交换和热交换.适用于此假设条 件下的空化泡运动方程为经 Prosperetti [10] 修改后 的Keller-Miksis方程 [11] : R ¨ R (

1 ? B R c ) +

3 2 B R2 (

1 ? B R 3c ) = Pl ρ (

1 + B R c ) + R ρc dPl dt , (1) 其中, Pl 为作用于泡壁上的液体压力, 满足: Pl = ( P0 + 2σ R0 ? Pv ) ( R0 R )3κ ? P0 ? 2σ R ? 4? B R R + Pv ? Pa sin (2πft) , (2) 式(1)和式(2)中, R 为气泡任意时刻的半径,B R 为气 泡半径的........