对声致发光单气泡半径计算

从Keller-Miksis方程出发,推导出声致发光气泡半径微分方程,通过数值计算,计算出不同驱动声压,不同驱动声压频率下的气泡半径,讨论了驱动声压,驱动声压频率与声致发光气泡半径的关系,得到理论计算结果与实验数据很好的吻合.     

液体表面张力对气泡声散射的影响

气泡在液体中受液体的表面张力和液体静态压力相当的情况下,研究了表面张力对气泡声散射的影响.建立球形气泡表面的速度和压力连续性方程,并在方程中引入气泡受液体表面张力的影响,求出了气泡在对称振动模式下的散射系数及散射声功率,并进一步推导了在多气泡的情况下的等效入射声场.通过数值分析发现,当球形气泡在液体中受液体的表面张力和液体静态压力相当时,球形气泡的半径约为10^-6m,在此情况下,液体表面张力对气泡声散射的影响只在驱动声场的角频率小于10^5rad/s时才能表现出来,并且在多气泡的情况下对等效入射声场的等效声压振幅会产生较大影响.而在驱动声场的角频率大于10^5rad/s的情况下,液体表面张力对气泡的散射系数、散射声功率及等效入射声场声压振幅的影响不明显.对于气泡的声散射问题,气泡受液体表面张力的影响需根据所研究的具体问题进行取舍.     

Bjerknes力对微气泡运动特性的影响

以水为工作介质,利用气泡的控制方程,模拟微气泡在驻波声场中运动特性,分析了Bjerknes力对气泡运动轨迹的影响.结果表明:不同声压下,同一位置或相同声压不同位置的气泡所受到的Bjerknes力的系数相差几个数量级,气泡在向声压波腹区域移动过程中,所受的主Bjerknes力先增大后减小,而次Bjerknes力一直增大,它们的作用使气泡在声轴周围形成一个圆环,声压越大,圆环越大.     

泡群内气泡振动特性分析

本文从均匀球状泡群内气泡非线性振动方程出发分析了驱动声压幅值、声波频率和液体环境对空化气泡振动特性的影响.数值分析结果表明:超声波驱动下的非线性振动气泡存在不稳定响应区,不稳定响应区主要分布在声波频率小于5 0 kHz的低频区和平衡半径小于1 0μm的微泡尺寸范围;平衡半径为3μm左右的空化微泡有较强的声响应能力和不稳定性,在特定的液体和声环境中,极易受到扰动生长为平衡半径更大的气泡;驱动声波频率一定的情况下,随着驱动声波压力的增加,气泡的非线性共振频率降低,声场中气泡的共振尺寸减小;平衡半径大的气泡空化阈值低,更容易引起空化效应.液体内溶解气体浓度影响空化进程以及空化声压阈值,溶解气体浓度越低空化阈值越高.     

声场中双空化气泡之间的相互作用及气泡动力学研究

从双气泡耦合振动方程出发研究了强声场中一对初始半径与气泡间距相当的气泡对的耦合振动及气泡之间相互作用的特征.研究结果表明:具有此类特征的气泡之间的相互作用力能够增加气泡能量转换的能力,耦合气泡的非线性振动强弱取决于驱动声压振幅、驱动频率和气泡对的初始半径,在一定的声场频率范围内,此类气泡之间的相互作用均表现为相互吸引.     

声场中气泡间次Bjerknes力和气泡群聚现象

基于双气泡耦合振动方程,研究了强声场中初始半径为10μm以上的两个球形气泡之间的次Bjerknes力,并探讨了驱动声压振幅、驱动频率、气泡间距和双泡的初始半径对次Bjerknes力的影响。结果表明:强声场中气泡运动的非线性效应,使泡间的次Bjerknes力增加,进而导致气泡大量聚集,互相牵制,形成稳定的气泡结构,即气泡群聚现象。     

空化气泡发光机理

介绍了单气泡声致发光现象的主要研究进展,总结了理论计算研究结果.通过求解流体力学方程组等比较完全的数值计算,发现空化气泡发光机理就是高温、高压和高密度的气体发光,因气泡达到的温度不同,有时原子或分子线谱贡献占优势,有时连续谱占主导.通过研究单气泡形状不稳定性,发现声压的非球对称微小偏离导致驱动声压上限.     

声场中椭球形气泡的体积振动研究

利用Lagrange方程得到了3个半轴呈一定比例的椭球形气泡的体积振动方程,探讨了不同驱动声场、不同半轴比例下椭球形气泡的体积振动和共振频率,并与同样体积下的球形气泡进行对比。结果表明:同样声场驱动下,椭球形气泡的体积变化振幅小于球形气泡体积变化振幅,椭球形气泡越偏离球形,气泡体积改变量越小,反之亦然;椭球形气泡的共振频率取决于其3个半轴长度的比值和气泡均衡体积。     

声场中气泡界面稳定性研究

声致空化广泛应用于表面清洁、生物成像和材料合成等领域,气泡的界面稳定性对空化作用效果有重要影响.考虑液体黏性和表面张力的影响,采用扰动法获得气泡径向运动控制方程的解析解,建立单/双频激振声场中气泡界面稳定性预测模型并求解,获得气泡振荡的临界半径.当气泡初始平衡半径小于临界半径时,气泡界面保持稳定;大于临界半径时,气泡界面失稳.在单频激振声场中,低频激振下气泡界面失稳的低阶临界半径在其共振半径附近,高阶临界半径不受频率影响,与同阶的高频激振下临界半径相当,给出了不同激振幅值下高低频的临界频率值.在双频激振声场中,分3种情况（即双低频激振、高频+低频激振和双高频激振）讨论声场中关键参数（即激振频率、振幅分配比和总的声压幅值）对气泡界面失稳临界半径的影响.     

垂直上升圆管内等温气泡流动的总体平衡建模

对等温条件下垂直上升管内气泡的总体平衡(population balance)建模,提出了一种平均气泡数密度(ABND)方法.通过将平均气泡数密度传递方程引入到商业计算流体力学(CFD)软件ANSYS CFX10中来体现气泡的总体平衡.对湍流驱动下气泡自由碰撞以及湍流涡旋携带下撞击引起的气泡聚并和破裂效应采用Hibiki和Ishii提出的气泡聚并和破裂模型.对气泡流动中的基本变量:局部气含率和液体速度沿径向的分布进行了预测,并与Liu和Bankoff的实验数据进行了对比.预测结果和实测数据之间具有很好的一致性,证明了平均气泡数密度方法对气泡流动建模的适用性.     

双频激励超声造影剂微气泡差频特性的理论和实验研究

超声参量阵效应产生的差频超声由于具有较小的衰减系数,能够有效提高传播深度而实现深层组织的超声成像.本文基于RPNNP方程,对双频激励超声造影剂微气泡所产生差频信号声压进行了理论推导,并用Runge-Kutta算法进行了数值模拟,对差频信号产生的条件包括激励声压、超声频率和气泡大小等进行了优化,同时用不同参数的双频信号辐射造影剂实现差频超声激发的实验研究,理论与实验结果均表明当双频信号的频率差接近气泡的共振频率时可以大幅度提高差频信号的声压(28 d B),获得高信噪比的差频信号,本研究为双频超声激励下造影剂差频成像的实际应用提供了研究基础.     

超声场中双气泡非线性动力学参数

从气泡动力学出发,建立了双气泡在外加声场作用下的运动方程,对气泡间的相互作用力进行了研究.研究结果表明：考虑到气泡之间相互作用后,气泡的运动方程、谐振频率、谐振时半径的变化情况明显与单个气泡不同,这些参数不只与气泡各自的初始半径,外加声压强度,液体的黏滞性等因素有关,还与它们之间距离和相对另一气泡的初始半径有关.研究发现：气泡的谐振频率与它们之间距离有关,随着气泡之间距离的增大,其谐振频率在不断减小.但当它们之间的距离增大到某一值时,其谐振频率趋于一定值.这也可以理解为当气泡相对较远时它们之间的相互作用对其影响可以忽略,此时的谐振频率即为单泡的谐振频率.对于谐振时它们的半径变化而言,两气泡之间的作用是相互抑制的,但气泡的初始半径的不同,这种抑制作用的强、弱不同.气泡初始半径相同的气泡,相互抑制作用较弱,数值计算表现出半径相同时其谐振半径的变化幅度要大于半径不同时的结果.     

金属熔体中高强超声空化气泡运动的数值研究

导出了可压缩液体中空化气泡泡壁运动方程,用该方程对高强超声场作用下铝熔体中空化气泡的运动规律进行了数值求解。结果表明,导出了泡壁运动方程保留了Ｕ／Ｃ的高次项,精度高于传统的不可压缩液体泡壁运动方程;高强超声场作用下铝熔体中空化气泡溃灭时可产生极高压冲击波;超声声压幅的大小对空化的强度和密度影响很大。     

超声声场中气泡的锥状聚集现象

从非线性KZK（khokhlov—zabolotskaya-kuznetsov）方程出发，利用分离变量法，得到了换能器的声场分布表达式和声场分布图．结果表明，当轴向距离大于瑞利距离时，声压随距离增加逐渐减小到某一极限值，近似为平面波．声场中气泡锥状聚集主要发生区域是声压较大且呈现梯度的区域，气泡脉动影响声场分布，气泡间的Bjerknes力作用对气泡在高声压区的分布有调节作用，从而可引起声场出现锥状气泡结构现象．     

含有不同惰性气体的气泡的声致发光的阈值声压

气泡内的气体成分对声致发光阈值有很大影响. 通过对不同气体成分气泡的声致发光阈值的研究, 揭示了声致发光的机制. 实验结果表明, 随着惰性气体原子质量的依次降低, 声致发光的阈值声压逐渐增加, 结合实验所得的不同惰性气体对应的阈值声压, 对气泡内产生的温度进行数值模拟, 发现不同惰性气体的气泡对应的阈值温度相等, 而当声致发光很强情况下, 气泡的发光满足轫致辐射机制. 由实验和数值模拟的结果可以推测, 在超声空化过程中, 气泡内的水分子首先裂解并放出光子, 随着温度的升高, 惰性气体被电离, 产生轫致辐射. 气泡的发光是一个由分子辐射向轫致辐射的变化过程.     

剪切模量和粘度对HIFU微泡增效治疗声场影响的数值仿真

研究剪切模量和粘度对HIFU微泡治疗声压场的影响.利用气液混合声波传播方程、Yang-Church气泡运动方程、时域有限差分（FDTD）法和龙格-库塔（RK）法建立含微泡的单阵元换能器数值仿真模型,分别改变模型中仿组织体模的剪切模量和粘度,研究其对形成声压场的影响.仿真结果表明,随着剪切模量的增大,焦域中心声压逐渐降低且焦域位置向靠近换能器方向移动;随着粘度的增大,焦域中心声压逐渐降低,焦域位置几乎不变.     

柱坐标声波方程正演两种PML边界加载方式的对比

分析了地震波场模拟中直角坐标系下一阶声压速度方程完全匹配层边界的两种不同的添加方式,讨论了其等价性。进而针对柱坐标系下一阶声压速度方程的特殊形式,推导出在柱坐标系下进行波场模拟的完全匹配层边界的特殊形式,指出柱坐标一阶方程中两种完全匹配层添加方式的不等价性。最后通过数值试验对两种不同的边界条件的实际应用效果进行了比较,结果表明变量复值化这一吸收边界实现方式在相同参数设置下的实际应用效果要优于直接引入衰减系数。     

超声作用下水中微气泡的运动特性

超声促晶过程中,水或溶液中气体微泡的运动特性对结晶过程具有重要影响。建立了水中单个气泡的运动方程,讨论了各种力学因子和气泡粒径对单气泡上浮的影响;重点研究了气泡在外加超声波作用下,气泡粒径的变化规律以及气泡的运动特性。研究结果表明:静水中气泡的上浮速度随时间增加而逐渐增大,上浮初始阶段必须考虑由于加速度所引起的虚拟质量力和Basset力对上浮速度的影响;气泡上浮过程中其粒径越大则上浮速度越大;超声作用下,声压梯度力对气泡运动速度的影响强于其他力学影响因子,其速度变化与超声波发生规律一致;当气泡的初始位置处于超声场的不同位置处,气泡运动的方向相异,气泡具有上下两个方向的位移变化。     

电场作用下单气泡行为的数值模拟

为了解电场强化沸腾换热的机理,分析了单气泡在电场作用下的行为特点.通过求解不可压缩流体的连续性方程,加入电场力的动量方程和VOF(volume of fluid)方程,得到了单气泡在电场下从壁面脱离的过程.结果发现,气泡在电场下脱离时间变短,并沿着电场方向伸长.气泡内部流动加剧,形成多个涡.结果表明,电场作用下气泡的行为特点产生显著的变化.     

声空化泡动力学及其测量

在评述当前声空化研究领域的最新进展基础上, 报道在声空化泡动力学理论和实验方面的研究结果. 首先, 考虑了实际非球对称声场驱动下的空化泡运动, 提出了一个非球形气泡动力学模型, 数值计算给出一种新的稳定的非球形振荡解. 然后, 设计了双路Mie散射系统, 对空化泡运动的球对称性进行了实验检测, 发现在低声压驱动的大气泡中存在明显的不同方向的非同步振荡. 作为一个推论, 得到了空化泡非球形振荡的证据. 并且完成了非球形振荡和驱动参数、液体参数的相关性测量, 具体参数包括驱动超声的幅度、频率, 液体的表面张力系数、黏度、含气量等. 最后, 介绍了数字移相频闪照明拍摄技术, 实现对稳态声空化泡的直接拍摄测量, 时间分辨率提升到20 ns, 相比已有的200 ns的时间分辨率, 提高了一个量级.