1980年诞生的体外冲击波粉碎结石技术ESWL(Extracorporeal Shock Wave Lithotripsy)是医疗技术领域一项重大成就。ESWL通过水下放电或爆炸产生冲击波,利用聚焦冲击波的高能量密度和空化作用粉碎患者体内肾结石,因其使用便捷,粉碎效率高,无外科手术侵入创伤和低廉的治疗费用等特性,自出现后即迅速成为治疗尿路结石的最常用临床手段。尽管如此,ESWL也有需要完善之处。在临床和实验研究中均发现伴随着ESWL的不同形式损伤,例如血尿、慢性出血、多重肾软组织内的血肿、以及肾水肿等。在冲击波医疗技术中,医疗效率和安全性同等重要。为了ESWL碎石效率最优化和组织损伤最小化,确定聚焦冲击波的动力学焦点,研究负压的演化过程以及空化显得极为重要。本文在国家自然科学基金(20472316)和教育部博士点专项基金(20070611004)的资助下,完成了冲击波聚焦过程、空化效应产生和负压演化过程的数值模拟,为提高压电式和液电式ESWL碎石机的碎石效率和减少副作用,以及设计制造和临床应用方面提供了科学的参考依据。冲击波是一种非线性波。对于它,关于线性波的Snell反射定律等物理定律不再成立。水下冲击波聚焦的数值研究需要考虑水的可压缩性。本文采用Tait状态方程来描述水的特性,并假设水是无粘的、运动中无热传导和热辐射。这样就可以借助空气动力学中研究冲击波的一系列方法,来研究ESWL中的水下冲击波传播、反射和聚焦。一般认为ESWL冲击波的负压波段是引起水空化的主要原因。CCW(Chester-Chisnell-Whitham)方法即Whitham的激波动力学方法,是一种近似方法,在一定条件下对激波面的追踪计算简单而有效,可完整地描述波阵面的演化过程。本文编写了CCW方法的程序,完成了球面压电陶瓷型ESWL的冲击波传播的波阵面的数值追踪,为压电陶瓷式ESWL碎石机的设计制造和临床应用提供了科学依据。CE/SE(Space-time Conservation Element and Solution Element)方法即时空守恒元和解元方法,1995年被提出,具有稳定性好、计算量小、计算结果精度高和对间断分辨率高等特点,已被美国NASA列为第二代CFD程序中的主要算法之一。本文通过适当改造张增产等的改进CE/SE方法来离散Euler方程,建立了研究ESWL中的水下聚焦冲击波的二维数学模型,分别对于球面压电陶瓷型和液电式机型ESWL的在单侧和双侧波源情况下,冲击波传播过程完成了数值模拟。本文还利用CE/SE方法,用连续模型来描述空化流动,分别以Liu model和Cut-off model作为状态方程,对一维管道中不同初始条件下发生空化流动时的压强、速度、和密度的分布进行了数值模拟。数值结果表明:1.ESWL中冲击波的动力学焦点(非线性焦点)一般并非几何焦点(线性焦点),而是有所偏移。因此,在临床应用球面压电陶瓷型ESWL粉碎结石时,实际焦点应当规定为压力最大的点,而不是简单地就将几何焦点选为轰击的靶点。2.本文首次将CE/SE方法应用于空化问题的研究。数值结果表明CE/SE方法是研究空化问题的一种有效方法。3. ESWL产生的冲击波聚焦时出现空化是不可避免的。所以在EWSL的设计制造及临床应用中,都不可忽视空蚀。除了使用通用作图软件外,本文中所有数值模拟程序都是作者用Fortran语言自行编写的。