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超声空化的研究历程及展望# 龙正，刘秀梅** （中国矿业大学机电工程学院，徐州 221000）
摘要：超声空化是工业设备中广泛存在的一种流体力学现象。随着超声技术应用广泛而迅速的发展，整整 一个世纪来，超声空化成了经久不衰的研究课题，特别近十年来，超声空化成了多种学科的基础研究热 点。在超声空化研究方面，国内外已有大量的实验、理论及数值计算的相关研究。综述了超声空化研究中 理论、数值分析、实验三方面的研究现状及研究进展，总结了空化研究中存在的问题，提出了今后超声空 化的发展方向。
关键词：超声空化；空泡；高速摄影；动力学特性
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中图分类号：O427.4
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The research process and prospect of ultrasonic cavitation
LONG Zheng, LIU Xiumei
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(Mechanical and electrical Engineering School ,China Univisity of Mining and Technology
221000)
Abstract: Ultrasonic cavitation is a widespread phenomenon of a fluid is in industrial equipment particularly. With extensive and rapid development of ultrasonic technique, ultrasonic cavition has become a lasting important research project in this century,especially a hot-spot of multi-subject reseach for the last decade. There are number of studies have been done by experiment ,theory and numerical in abroad. A brief review of acoustic cavitation is given, which includes theoretical , numerical analysis, experimental studied. The problem in cavitation and bubble dynamics is introduced,and future research direction of ultrasonic cavitation is also dicussed. Key words: Ultrasonic cavitation ；bubble；images；dynamics
0 引言
随着现代科学技术的发展，人们对超声的关注和研究也随之变得日趋重要。目前的研究 表明，所有与液体相关的超声处理技术都是利用超声空化作为动力的。所谓超声空化，就是 指在超声作用下液态物质中的微小气泡随超声频率发生迅速、重复地生长-闭合－破灭运动 30
以及由此产生的一系列物理效应。由于超声空化现象非常复杂，研究内容涉及声学、化学、 光学、流体力学等多门学科，而且在实际中不可能把空化效应和机械效应、光电效应等分离 开来，所以时至今日，人们对超声空化这一现象仍然不是十分了解。然而由于空化引发的物 理、化学、生物等效应又具有相当特异的性质，而这些性质具有重要的理论价值和巨大应用 潜力。比如，空化泡的溃灭会在空泡周围极小的空间内产生微射流，并对外辐射空化噪声。 35
空泡溃灭时产生的高温高压可用于清洗、切割、破碎物件，改善材料表面性能、过程强化等 方面。因此，超声空化已成为当前研究的热点。下面对超声空化从理论分析、数值计算和实 验研究三个方面进行简单的论述。
1 理论分析
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1895 年，Thormycuft 和 Bamaby 观察到潜水艇螺旋桨凹陷被侵蚀时发表了第一个关于
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空化的报告。自此以后，空化逐渐走进人们的视野，但未引起人们足够的关注。直到 1917
基金项目：中国博士后科学基金特别资助项目（201003609）;中国博士后科学基金面上项目（20090461156 ）; 江苏省博士后科研资助计划（ 1001003A）；中央高校基本科研业务费专项资金（2010QNA23） 作者简介：龙正（1990-），男，在校研究生，研究方向：超声空化，空蚀
通信联系人：刘秀梅（1982-），女，副教授，空化空蚀，磁流变液. E-mail: liuxiumei_lxm@yahoo.com.cn
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年 Rayleigh 提出了无限大不可压缩液体中空化气泡核的崩溃模型，实现了对空化气泡理论 研究的重大突破。如果说该模型的提出是向人们打开了一扇窗，那么 1927 年的 W.T.Richards 和 A.L.Loominse 发现了超声的化学效应就是向人们敞开了一扇门。他们首次研究了超声波 对固体、液体、溶液的作用，同一年, A.L.Loominse 指出超声在化学、生物方面可以加快反 应速率，使得超声真正地获得了各界的关注。Porisky[4]考虑到液体粘性对球形空泡的膨胀和 压缩过程，发现液体的黏性会延缓空泡的压缩和膨胀。Wu 和 Roberts[5]采用无耗散、绝热模 型得到了空泡的溃灭峰值温度。Toegel 和 Lohse[6]考虑热交换、水蒸气的相变、空泡中不同
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[3]
种类气体的化学反应得到声致发光前后空泡的峰值温度。国内王萍辉 研究了液体物理参
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数、声场参数、环境压力等各种因素对超声空化的影响,李争彩等 应用 Matlab 语言对影响
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超声空化的各种液体物理参数及声场参数等进行了数值模拟，进一步分析了空化泡崩溃时间 与崩溃时泡内最高温度和最大压力的关系。
鉴于超声空化在工业上应用环境的不同，沈壮志等 采用数值模拟的方法对文丘里管反
[9]
应器中空化泡在不同声场作用下的动力学行为特性进行了研究，分析了超声波频率、声压及 喉径比对空化泡运动特性以及空化泡崩溃时所形成泡温以及压力脉冲的影响。结果表明,超 55
声将水力空化泡运动调制成稳态空化,有利于增强空化效果。孔为等 液内空化气泡运动过程的影响。邵志文等
研究了钢液内超声空
化气泡的运动过程，并用四阶龙格库塔法和 matlab 来模拟超声声压幅值、频率等变化对刚
研究了不同超声条件下镁合金熔体中空化泡行
为，并且探讨了声压幅值和熔体主体温度对空化泡崩溃时的泡内温度和压力的影响，得出了 较低的超声频率和熔体主体温度、较高的声压幅值以及小于或等于共振尺寸的空化泡初始平 60
衡半径有利于超声空化效应。
在双气泡方面， 1971 年 Shima[12]首次对水中两个球形空泡的震荡进行了研究，导出了 不可压缩流体中两个球形气体空泡的控制方程，得出了两个空泡的固有频率。Fujikawa 和 Takahira[13]研究了可压缩流体中两个气体空泡之间的相互作用以及它们所辐射出的压力波。 戚定满等[14]应用边界元法研究了两个相邻空泡的运动特性，得出了空泡的演化规律。梁柱 65
等[15]对固液两相流中两个空泡的溃灭过程进行了研究，指出空泡间的相互作用将使最大溃 灭压力升高。
对空泡群进行理论分析时涉及到采用空泡群的处理模型问题[16]。Van Wijingaarden[17]采 用连续介质模型分析了一平壁附近大量空泡的溃灭过程，发现由于空泡间的相互作用使得作 用在壁面上的压力明显增大。Smereka 等[18]采用动力系统分析法研究了周期性驱动下的空泡 70
群的非线形行为，认为空泡群震荡是一个复杂的分叉系统和奇异吸引子。国内黄建波等基于 能量传递理论，应用分层溃灭模型计算水翼上空泡群的溃灭压力，结果表明以冲击波传播方 式表现出来的空泡间相互作用使最后溃灭的空泡产生的辐射压力提高了几个量级。
2 数值分析
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首 在发现空化现象以后，许多学者对空化动力学问题进行了研究。1917 年 Rayleigh
先提出了无限大不可压缩液体中空化气泡核的崩溃模型，在不考虑液体表面张力和粘滞性的 条件下，Rayleigh 提出了著名的理想球形气泡的运动方程式,并且得到了关于气泡壁速度和 崩溃时间的解。利用 Rayleigh 方程进行空泡溃灭的研究，在气泡半径较大时，得到的结果 具有一定的准确性，当空泡溃灭至很小的半径时，由于没有考虑空泡内的含气量及气体种类、 液体的表面张力、粘滞性和可压缩性等因素的影响，导致了许多不合理的结果。在随后的时 80
间里，包括 Plesset[20], Noltingk, Neppiras[21], Poritsky[22], Cole[23]和 Gilmore[24]等人做了一系列
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的工作，从不同角度修正了 Rayleigh 方程，得到了考虑不同因素的气泡运动方程。刘向远 等[25]在以上方程的基础上应用范德瓦耳斯方程和实际气体的绝热方程，修正了方程，得到 了实际气体的单泡空化动力学方程，分析了实际气体条件下，范德瓦耳斯常数、对单泡超声 稳态空化、瞬态空化动力学过程的影响。 85
以往对空泡溃灭的理论分析均建立在球形溃灭假设的基础之上，但是实际的空泡并不是 球形的，因此，球形溃灭的假设是不准确的，应该进行修正和改良。Gibson 和 Blake[26]用变 分法将问题转化为近似的积分方程，研究气泡在固壁面及自由面附近的溃灭情形。
Lundergren 和 Mansour[27]将气泡溃灭分成两阶段来考虑，气泡由开始的状态到其上下表面在 一起为第一阶段，利用一般的边界元方法进行处理；接下来的阶段为第二阶段，他们引进了 90
一条涡线，这样既使空泡溃灭的计算得以延续，又模拟了空泡溃灭后期产生的涡流现象。 Best[28]采取类似的方法来模拟空泡溃灭后期的运动，数值计算出气泡的反弹现象。而后 Zhang, Duncan H 和 Chanine[29]利用修正的普通边界元方法及高阶边界元方法计算了空泡溃灭的整 个过程，将空泡的上下表面的重合部分的影响考虑了进去，这样能将空泡的溃灭过程连续模 拟出来，计算的结果与实验现象非常吻合。 95
国内学者还采用振子模型对单泡的声致发光动力学特性进行了研究。钱梦騄等 [30]同时 运用能量守恒定律导出了不可压缩、弱粘滞流体中纯径向振动气泡的 R-P 方程，并对崩溃相 气泡的聚能效应做了讨论。对于非若弱滞流体方面，许文林等[31]考虑液相的动力粘度、表 面张力和溶剂的蒸气压对空化泡运动特性的影响，建立了超声作用于均相液体中空化泡运动 的动力学模型，为超声的空化效应在化工过程中的研究和应用提供了基础理论依据。
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在双气泡方面，李光等
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首次建立了完整的双气泡相群平衡模型，获得了气泡尺寸体积
概率、大小气泡相尺寸等分布。蒲中奇等 建立了双空泡溃灭时流体中的声辐射模型，并通
过数值计算说明了空泡间的相互作用使空泡的溃灭过程变缓。卢义刚等 得到了超声作用下双泡动力学方程。姜韶堃等 105
[35]
对双泡超声空化进
行了研究分析，分析了水中空化泡的线度、双泡间距、声压幅值等因素对空化过程的影响，
对非牛顿幂律流体中平行上升双气泡间相互
作用进行了模拟研究。研究表明:剪切变稀效应及气泡周围流场结构对气泡间相互作用的贡 献分别随着气泡间距增大而减小，气泡间相互作用主要受气泡间流体涡旋结构控制。在气泡 群方面，早在 1989 年，黄建波 就分析和研究了空泡群在二维压缩流场中的溃灭过程及其 假设气泡周围流场为理想流体，建立了气泡群相互作用的
作用在固壁上的压强。张阿漫等
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三维数值模型，通过研究发现位于多气泡中心的气泡运动变化缓慢，相对较稳定，最先形成 射流的往往是外侧和边缘的气泡，气泡的周期随两气泡中心的距离的减小而增大，异相气泡 尤为明显 。而张淑君等 研究了三维气泡群的上升过程及其对周围流场的扰动。得到在
气泡群上升过程中，气泡分布经历由规则到扇形体再到随机的过程。
现阶段对于空化气泡的数值分析方尚不全面，部分研究成果需要得到相关实验和工程实 践的检验。
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3 实验研究
为了直观地显示空泡的溃灭过程，科学家们一直在不停的探索着。在影像法研究方面， 从六十年代末期已开始利用电离泡、火花泡来做空泡溃灭的实验。但空泡缺乏球对称性仅仅 可以用来观察空泡溃灭的大致情形而不能进行定量研究。激光产生气泡的出现使得这方面的 研究有了较大的突破。当一束强激光脉冲作用于液体中的一点，使局部的液体电离产生一个 等离子区，该等离子区迅速膨胀从而形成一个球形空泡。在激光产生气泡的基础上研究人员
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的可视化。国际上比较著名的是：Lauterborn
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又通过高速摄影或声致发光成像法观察了空泡的外形变化和动态过程，实现了超声空化过程
利用激光泡作过的一系列试验，主要是对空
泡溃灭的细节及空化噪声进行了精确的测量，他利用高速照像机拍下空泡溃灭的一系列瞬态 的空泡形状，并通过数据处理求出了射流的速度。
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国内学者从压力场、声场等许多不同方面研究了空化气泡的动态变化过程及其影响因
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素。吴先梅 通过刹管法实验装置产生单一空化气泡，使其在急剧变化的压力场内膨胀并收 气泡动态之间的关系。王巧霞等
缩，并通过高速 CCD 观察了瞬态空化气泡的运动变化过程，并分析了液体中压力场与空化
采用微光测量系统对超声清洗槽内空化声场进行测量，获
得了液体中超声空化场的分布。实验结果表明，在某一固定频率下，输入液体中的功率密度
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只有超过声致发光阈值时，液体中才会出现声致发光现象。丁春峰等
进一步通过对包含不
同气体成分的气泡声致发光阈值进行了研究，揭示了声致发光机制。朱秀丽等 分析了声致
发光强度与温度的关系。结果表明，在输入功率和超声波频率不变的前提下，随着温度的上 升，声致发光强度呈现先逐渐增大后逐渐减小的趋势，在 55 度左右达到最大值。
相对于单气泡，人们对于双（多）气泡的研究就少了许多，比较有代表性的有：朱丽等
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利用自行开发的光学测试技术对双气泡间的聚并时间进行了精确的测量,分析了气泡尺
寸、靠近速度、有机溶质的扩散、电解质和表面活性剂等因素对气泡聚并行为的影响。范文 远等 建立了一个在不同操作条件下能产生两个稳步平行的气泡的平行气泡发电系统，分析
了溶液的孔口间隔等因素对两气泡上升过程的影响。张阿漫等 140
运用边界元积分方法模拟并
用实验验证了多个气泡之间的相互作用，并得到了一些相关结论和建议。由于空泡群的组成 由空泡尺寸的空间分布、溃灭时间分布等因素决定，这些因素具有很大的随机性，因而空泡 群的实验研究多停留于简单观察。
对于用影像法研究空化泡来说，对空化图像的处理研究就显得尤为重要。袁绪龙等 通过水洞模型超空化实验的探索与实践，研究了空泡外形记录、测量、分析的全过程，提出 了空泡形态的数字化测量、处理方法， 同时采用椭圆拟合法进行了空泡长度和最大直径的
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识别，研制了空泡图像的测量和分析处理系统，实现了空泡图像测量和处理的自动化、数字 化与标准化，同时也提高了空泡图像测量的精度与可信度，极大地推动了空泡的研究进程。
[48]
4 结论
超声空化是非常复杂的流体动力学现象。对超声空化的理论分析有助于深化对其机理的 认识，而对超声空化的数值分析和实验研究是掌握其规律的重要手段。随着大功率超声的迅
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速发展，超声空化所引发的物理、化学、生物、机械等效应越来越多的被应用。液体的超声 空化已成为一个热门研究领域。
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