超声空化是功率超声在液体中的一种独特现象,液体中的超声应用几乎都和超声空化现象有关。超声波在液体中传播时,会在液体中形成正负压相交替出现的声场。当超声的振幅较大时,液体内部原有的空腔会超声波的负压项生长,在正压项压缩、溃灭并可能出现回弹现象,这种现象叫做超声空化,液体中的空腔称为空化气泡。超声空化气泡在超声的负压项膨胀,吸收并储存能量;在超声的正压项被压缩及溃灭,由于空化气泡的溃灭阶段通常在纳秒量级,泡内积累的能量不能及时释放出去,在空化气泡内形成高温和高压环境,为物理效应、泡内的化学反应和声致发光等现象提供了有利条件。超声空化的理论与实验研究成为了一个世纪以来一个重要的研究课题。在超声空化的理论研究中,由于其自身的复杂性,总是会做出一定的假设,释放其中的一条或者多条假设,建立更为精确的模型对于研究超声空化效应具有重要意义。在超声空化的实际应用中,声场内的气泡大小和数量分布是影响空化效率的一个重要方面,因此这方面的研究对于实际应用同样具有重要意义。本研究将首先根据液体的质量守恒方程、动量守恒方程、液体中的连续性方程以及空化气泡壁处的边界条件出发,推导出单一空化气泡模型。该模型不仅考虑液体的可压缩性、表面张力、气泡壁处的液体粘度以及不平衡的水蒸气蒸发和冷凝、热传导等因素的影响,还首次考虑了周围液体粘度对单一空化气泡动力学的影响。介绍了空化气泡内的包括水蒸气,惰性气体以及H,O2,O,OH,H2,HO2,H2O2,O3,N2,N,NO2,NO,N2O,NO3,HNO,HNO2,HNO3,NH3,NH2,NH,N2H4,N2H3,N2H2,N2O4,和N2O5等25种自由基粒子在内的89种化学反应。通过对单一空化气泡的数值模拟计算结果中得出,气泡内温度不均匀层的厚度在一定程度上影响着空化气泡溃灭的剧烈程度,从而影响着泡内的最高温度和最大压强等。通过对气泡外热液体边界层的数值模拟计算显示,气泡外热边界层的持续时间在很短（一般在几个纳秒）,厚度在几-几百纳米,并且随着超声频率的增加、超声振幅的减小、表面张力的增加和液体粘度的增加而减小。最后计算了不同周围液体粘度对空化气泡动力学的影响得出,考虑周围液体粘度的气泡溃灭时产生的泡内最高温度和最大压强大于不考虑周围液体粘度的气泡溃灭时产生的泡内最高温度和最大压强;随着周围液体粘度的增加,其对最高温度和最大压强的影响越大;相比于最高温度,最大压强对周围液体粘度这一因素具有更高的敏感度。为了验证周围液体粘度对单一空化气泡动力学的影响,单一空化气泡在30%（v/v）丙三醇水溶液中进行。实验结果与考虑周围液体粘度和不考虑周围液体粘度的比较结果显示:周围液体粘度对空化气泡半径的影响不大,但是会影响空化气泡的回弹阶段的数量。同时,在不同的驱动声压（振幅）下,测量单一空化气泡的声致发光强度。通过比较实验测量的声致发光强度与理论计算结果的决定系数,发现考虑周围液体粘度的模型可能优于不考虑周围液体粘度的模型。超声场内的空化气泡分布情况（大小和概率密度）是影响声化学效率的重要影响因素之一。本文中综合考虑超声场内的空化气泡半径范围（而不是单一值）以及分布概率密度的情况下,基于双氧水生成速率的理论计算与实验测量相结合计算了不同频率、不同功率以及不同溶液气体条件下单位时间单位体积内的有效空化气泡的数量。随着超声频率的增加,声场内的气泡半径范围减小,单位时间单位体积内气泡数量增加;随着超声功率的增加,声场内的气泡半径范围基本不变,单位时间单位体积内气泡数量减少;不同溶解气体对气泡半径的影响遵从顺序:空气>氩气>氧气;不同溶解气体对单位时间单位体积内的气泡数量影响不大。