随着科学技术的发展,超声已在众多领域得到了广泛的应用,在这些应用中,超声空化是引发各种物理、化学和生物效应的主要机理,这些效应与瞬态空化气泡崩溃时所产生的高温高压等现象有关。超声空化是大量空化气泡的动力学过程,研究单一空化气泡的动力学过程不仅是研究多泡空化的起点,而且是研究整个超声空化现象的基础。 在研究单一空化气泡动力学过程的方法中,数值分析是除理论和实验方法之外的一种研究方法,至少有两方面原因表明它是必要的。首先,由于气泡运动过程中高度的非线性,使得从理论上建立能够精确描述空化过程的方程实际上是不可能的,其次,微米级大小的空化气泡和持续时间为微秒至纳秒级的气泡运动周期使得试验测量也难以进行。 本文基于考虑了液体表面张力、液体粘滞性和辐射阻尼的Rayleigh-Plesset气泡运动方程,采用数值分析方法研究在不同声场信号激励下,单一空化气泡的动力学过程。主要工作和结论为: (1)分析声场频率、声压和气泡初始半径对气泡动力学过程的影响。对于给定初始半径的单一空化气泡,随着声场频率升高,气泡将持续振荡而不崩溃,声空化将难以发生。提高声场声压会加剧气泡崩溃程度,但过高的声压将使气泡的崩溃推迟或根本不会发生。 (2)分析谐频正弦信号激励下气泡动力学过程。谐频激励增强了气泡崩溃的剧烈程度,各谐频信号之间存在最优相位差可使空化效应更明显。 (3)分析双频正弦信号激励下气泡动力学过程。双频激励在液体内形成更多的空化核,从而使空化过程增强。 (4)分析有脉冲扰动的正弦信号激励下气泡动力学过程。脉冲加入的时间、脉冲幅度和宽度影响气泡最大半径和气泡崩溃速率。 (5)分析方波和三角波信号激励下气泡动力学过程。单位时间内占据较大功率的方波信号明显比占据较小功率的三角波信号能更有效地增强气泡崩溃程度。 (6)分析正弦调幅波信号激励下气泡动力学过程。调幅深度的增加使得空化效应减弱,而调制信号的频率对气泡运动过程影响很小。 通过以上工作,一方面研究气泡动力学过程与不同声场激励信号之间的关系,另一方面也为超声实际应用中选择适当声场激励信号来增强空化效应提供理