俞啟東 徐志程 趙 靜 馬瀟健

(中國運載火箭技術研究院研究發(fā)展部 北京 100076)

0 引言

超聲波在液體中的瞬態(tài)壓力變化會產生大量的空化氣泡[1]。氣泡在潰滅時會形成高速射流和沖擊波，并伴隨著大量能量的釋放[2]。由空泡潰滅引起的這種高溫、高壓的極端條件可應用于污水處理[3]、材料萃取[4]、化學反應[5]和靶向治療[6]等領域。然而，超聲空化的廣泛推廣仍然受到寬帶噪聲[7]、空蝕損傷[8]和結構振動[9]等問題的限制。為了解決上述問題，明確超聲空化流場的結構，優(yōu)化超聲設備的產品設計，需要進一步對超聲空化形態(tài)和聲流場結構進行詳細和全面的研究。

為了研究超聲場作用下的空化形態(tài)，大量研究者采用全流場顯示技術研究了超聲空化的瞬態(tài)演化過程。Moussatov等[10]采用電子圖像拍攝系統(tǒng)研究了超聲頻率為20.7 kHz時的空化形態(tài)。結果表明，在變幅桿附近產生了由大量微氣泡構成的錐形空化結構(Conical bubble structure,CBS)。該特殊形態(tài)的空化結構受變幅桿和超聲聲強的顯著影響，并且形成機理可由一階Bjerknes原理進行定性解釋。Mandroyan等[11]利用激光斷層掃描技術研究了在20 kHz和40 kHz變幅桿附近錐形空泡結構的瞬態(tài)變化。研究結果表明，變幅桿的存在顯著影響了錐形空化區(qū)的瞬態(tài)演化過程。Viennet等[12]采用片狀激光可視化系統(tǒng)研究了超聲反應器中的空化結構，發(fā)現(xiàn)錐形空化結構均勻分布在超聲變幅桿徑向同心圓上。Luo等[13]對不同輸入功率下20 kHz處的CBS空化和空化進行了實驗研究，研究表明，當超聲設備輸入功率為300 W時測試材料邊緣的空化現(xiàn)象比中心處更為嚴重。

盡管采用全流場顯示技術可以對超聲場作用下的錐形空泡結構進行圖像觀察，但該方法對其流場結構瞬態(tài)演化過程仍缺乏定量的數據分析與研究。Frenkel等[14]采用粒子圖像測速儀(Particle image velocimetry,PIV)研究了超聲場作用下的流場結構瞬態(tài)演化過程。研究結構表明，超聲波強度與聲流(Acoustic streaming)速度峰值呈正線性相關關系。Layman等[15]采用PIV和紅外熱像儀同步測量技術研究了20 kHz時空化區(qū)域溫度與聲場的關系。研究結果表明，相對較小的流動黏度變化可以改變熱量的產生。Chouvellon等[16]采用PIV觀察了不同聲功率、實驗水深和流體黏度等因素對聲流速度的影響。

超聲空化結構是近年來備受關注的一種空化結構，但對其復雜的空化形態(tài)和流場結構還沒有很好的認識，還需要進一步的研究。本文采用高速攝像系統(tǒng)和PIV系統(tǒng)分別對超聲場作用下的錐形空泡結構及其流場結構進行詳細研究。本研究的目的是：(1)研究錐形空泡形態(tài)的瞬態(tài)演化規(guī)律和聲流流場的速度測量；(2)研究聲流結構在不同輸入功率作用下的時均速度場。

1 實驗設備

圖1為研究超聲場下錐形空泡結構的實驗裝置的示意圖。實驗裝置由超聲空化裝置、高速成像系統(tǒng)和速度測量系統(tǒng)組成。本實驗采用的超聲處理器(88-1型，中國科學院聲學研究所)的工作頻率為18 kHz；換能器為直徑(D)為20 mm的圓柱形輻射面，并做簡諧運動的活塞振動；該設備的控制單元可以實現(xiàn)不同輸入電流的精確控制與數值讀取，而輸入電壓恒定保持為220 V，因此，通過調節(jié)輸入電流即可實現(xiàn)不同輸入功率(Pin=50～250 W)的精確控制。換能器浸入水箱(300 mm×170 mm×160 mm)中，且輻射面與水箱底部的距離為7D。水箱水溫控制在25°C左右。與蒸餾水中的超聲空化結構相比，在相同的超聲功率作用下，自來水中能得到相同的空化氣泡結構，但所含的空化氣泡更多[17]。因此，本文為了在高速攝像系統(tǒng)的拍攝過程中獲得更清晰的空化結構，實驗中采用自來水來降低空化閾值。

圖1 實驗系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental system

為了實現(xiàn)錐形空泡的圖像采集，使用采集速率高達100000幀/s的電荷耦合器件(Charge coupled device,CCD)相機對空化氣泡進行捕捉。本文中使用的CCD攝像機的分辨率為1024×1024像素。光源位置和高速攝影機(拍攝角度)位置可以調整，以獲得更好的拍攝效果。此外，本文采用PIV測量聲流場的速度。光源是一個雙頭Nd:YAG激光器，光束擴展可到1 mm寬。對于實際的數據采集，利用商業(yè)PIV軟件Dynamics Studio對速度矢量場進行處理，查詢區(qū)域一般為32×32像素，重疊率為50%。為了消除錯誤向量，在PIV后處理中通過指定相對公差使用濾波器進行處理。

2 結果與討論

圖2給出了當輸入功率為100 W時的錐形空泡結構瞬態(tài)演化過程。圖像是當聯(lián)通超聲空化裝置、待變幅桿穩(wěn)定之后，通過高速攝像機拍攝所得。圖像之間的時間間隔為50 ms。如圖2所示，在變幅桿下端面處觀察到由大量空化氣泡均勻分布組成的倒錐狀結構，該種空化結構被稱為“錐形空泡結構”。氣泡是由于超聲波的劇烈波動從而導致的空化作用而產生的，并且這些空化氣泡初始產生位置為變幅桿的輻射面。可以觀察到，大量的空化氣泡之間通過自組織效應遠離變幅桿的聲輻射面，并朝向遠離聲輻射面對稱軸上的某一固定點運動，從而形成倒置的錐形空泡結構。在該固定點附近，當超聲強度低于空化閾值，空化氣泡幾乎全部潰滅消失。值得注意的是，隨著時間的瞬態(tài)演化，錐形空泡結構的形態(tài)并未發(fā)生明顯的變化。結果表明，當輸入功率一定時，錐形空泡結構的形態(tài)不會隨時間發(fā)生顯著變化。這種現(xiàn)象在流體領域被稱為穩(wěn)態(tài)流動。

圖2 超聲空化形態(tài)瞬態(tài)演化Fig.2 Transient evolution of ultrasonic cavitation morphology

圖3給出了當輸入功率為100 W時錐形空泡結構附近的流場結構速度云圖和流線圖。由于錐形空泡結構的瞬態(tài)演化過程為穩(wěn)態(tài)，本文中采用時均PIV測量系統(tǒng)對錐形空泡結構附近的流場結構進行了定量測量。CCD相機捕獲了100組瞬時粒子圖像對(image pair)，并對它們進行了平均化處理，得到了聲流場的時均速度值。圖像對之間的間隔為400μs。如圖3所示，在超聲變幅桿附近產生了兩種不同的聲流形式：第一種是變幅桿底端的射流型聲流(Acoustic jet-like streaming)；第二種是變幅桿兩側的回旋流(Recirculation flow)。射流型聲流是由于超聲變幅桿的超聲輻射力作用，促使變幅桿底部流體朝底部運動。變幅桿兩側的流體雖未受到超聲輻射力的直接作用，但是由于流體的黏性效應較大，兩側流體在射流型聲流的黏性力剪切作用下形成方向相反的回旋運動。由于射流型聲流的速度顯著大于回旋流，本文中PIV的研究主要集中在變幅桿下端面附近的射流型聲流的高速區(qū)域。

為了進一步定量研究射流型聲流的速度場結構，圖4給出了PIV所得的射流型聲流高速區(qū)域的速度云圖(圖3中紅色虛線矩形區(qū)域)。x軸為無量綱參量x/D，y軸為無量綱參量y/D，z軸為流場速度，底面為速度梯度的等高線圖。空間位置(x/D=0,y/D=0)處為超聲變幅桿的中心位置。如圖4所示，超聲變幅桿下端面附近射流型聲流的速度出現(xiàn)尖峰值U=0.45 m/s。當射流型聲流遠離變幅桿端面時，速度值迅速降低至U=0.15 m/s左右。在遠離超聲變幅桿的徑向位置處，速度值幾乎穩(wěn)定在U=0.1 m/s。結果表明，超聲變幅桿振動誘發(fā)的射流型聲流的速度遠大于回旋流，并且流場結構與空間分布緊密相關。

圖3 超聲空化流場結構速度云圖Fig.3 Velocity contour of ultrasonic cavitation lf ow field

圖4 3D超聲空化流場結構速度云圖Fig.4 3D velocity contour of ultrasonic cavitation lf ow field

為了研究空泡結構與聲流結構之間的對應關系，圖5給出了錐形空泡運動與聲流運動的對比圖。其中，圖5(a)是基于高速攝像系統(tǒng)所得的錐形空泡結構。為了研究空泡結構的運動情況，采用光流法(Optical flow method)對空泡結構中的典型氣泡進行追蹤。圖5(a)中箭頭表征為氣泡在一定時間間隔內的運動軌跡，通過計算氣泡的運動軌跡和時間間隔可推算出氣泡的運動速度值。光流法的具體介紹詳見文獻[1]。如圖5(a)可知，錐形空泡結構內部的氣泡存在垂直向下的運動趨勢，而在錐形空泡結構之外的區(qū)域不存在流體運動的情況。此外，為了獲得聲流結構的運動況，圖5(b)給出了基于PIV系統(tǒng)的聲流速度場云圖，其中紅色虛線所構成的三角形為空泡形態(tài)，是通過提取圖2中高速攝像結果的平均值所得。由圖5(b)可知，聲流結構的主要運動情況分布在錐形空泡區(qū)域，而在錐形空泡結構之外的區(qū)域速度非常低。通過對比圖5可得，聲流是由氣泡流動帶動而產生的。為了進一步定量研究空泡運動與聲流運動之間的對應關系，圖6給出了不同輸入功率作用下空泡速度與聲流速度對比圖。如圖6所示，聲流速度和空泡速度呈正相關，進一步表明聲流是由氣泡流動帶動而產生的。

圖5 空泡運動與聲流運動對比圖Fig.5 Comparison of cavitation and acoustic flow

圖6 不同輸入功率作用下空泡速度與聲流速度對比圖Fig.6 Comparison of cavitation velocity and acoustic velocity under different input power

為了進一步研究聲流結構在空間分布情況，圖7給出了輸入功率對不同徑向位置處聲流速度的影響。觀測位置為在超聲變幅桿的中心軸線上的0.5D、D、2.0D和2.5D處的平均速度分布。如圖7所示，對于相同的y/D值來說，輸入功率的改變顯著影響了射流型聲流的速度分布：當輸入功率增加時，射流型聲流的速度峰值也隨之增加。但是輸入功率的改變對于回旋流的影響十分微弱。對于相同的輸入功率來說，y/D的改變顯著影響了射流型空泡的速度峰值：隨著y/D值的增加，射流型聲流的速度峰值顯著減小。同樣，y/D的改變對于回旋流的影響十分微弱。上述實驗現(xiàn)象表明，y/D和輸入功率能顯著影響射流型聲流的流場結構，但是對回旋流的影響十分微弱。

圖7 2D超聲空化流場結構速度云圖Fig.7 2D velocity contour of ultrasonic cavitation flow field

3 結論

本文采用高速攝像和粒子圖像測速系統(tǒng)分別研究了超聲場下的空化形態(tài)和聲流場結構。實驗研究了50 W、100 W、200 W和250 W等4種不同輸入功率對18 kHz的超聲變幅桿附近空化及其聲流場的影響。主要結論如下：

(1)在變幅桿下端面處觀察到由大量空化氣泡均勻分布組成的倒置的錐形空泡結構。大量氣泡通過超聲波的劇烈波動而產生的，并通過自組織效應遠離變幅桿的聲輻射面，朝向遠離聲輻射面的某固定點運動，從而形成倒置的錐形空泡結構。除此之外，當輸入功率一定時，錐形空泡結構為不隨時間發(fā)生變化的穩(wěn)態(tài)流動。

(2)在超聲變幅桿附近產生了兩種顯著不同的聲流結構，第一種是變幅桿底端的射流型聲流，第二種是變幅桿兩側的回旋流。射流型聲流是由于超聲變幅桿的超聲輻射力作用，促使變幅桿底部流體朝底部運動。變幅桿兩側的流體雖未受到超聲輻射力的直接作用，但是由于流體的黏性效應非常大，兩側流體在射流型聲流的黏性力剪切作用下形成方向相反的回旋運動。此外，通過研究空泡與聲流最大速度點之間的空間對應關系，發(fā)現(xiàn)聲流是由空泡流動帶動而產生的。

(3)空間距離和輸入功率能顯著影響射流型聲流的流場結構：對于相同的距離來說，當輸入功率增加時，射流型聲流的速度峰值也隨之增加；對于相同的輸入功率來說，隨著距離的增加，射流型聲流的速度峰值顯著減小。