超聲空化及其聲流結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)研究?

俞啟東 徐志程 趙 靜 馬瀟健

(中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)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(huì)產(chǎn)生大量的空化氣泡[1]。氣泡在潰滅時(shí)會(huì)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(yīng)用于污水處理[3]、材料萃取[4]、化學(xué)反應(yīng)[5]和靶向治療[6]等領(lǐng)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(jié)構(gòu)振動(dòng)[9]等問(wèn)題的限制。為了解決上述問(wèn)題，明確超聲空化流場(chǎng)的結(jié)構(gòu)，優(yōu)化超聲設(shè)備的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，需要進(jìn)一步對(duì)超聲空化形態(tài)和聲流場(chǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)和全面的研究。

為了研究超聲場(chǎng)作用下的空化形態(tài)，大量研究者采用全流場(chǎng)顯示技術(shù)研究了超聲空化的瞬態(tài)演化過(guò)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(shí)的空化形態(tài)。結(jié)果表明，在變幅桿附近產(chǎn)生了由大量微氣泡構(gòu)成的錐形空化結(jié)構(gòu)(Conical bubble structure,CBS)。該特殊形態(tài)的空化結(jié)構(gòu)受變幅桿和超聲聲強(qiáng)的顯著影響，并且形成機(jī)理可由一階Bjerknes原理進(jìn)行定性解釋。Mandroyan等[11]利用激光斷層掃描技術(shù)研究了在20 kHz和40 kHz變幅桿附近錐形空泡結(jié)構(gòu)的瞬態(tài)變化。研究結(jié)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(guò)程。Viennet等[12]采用片狀激光可視化系統(tǒng)研究了超聲反應(yīng)器中的空化結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)錐形空化結(jié)構(gòu)均勻分布在超聲變幅桿徑向同心圓上。Luo等[13]對(duì)不同輸入功率下20 kHz處的CBS空化和空化進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，研究表明，當(dāng)超聲設(shè)備輸入功率為300 W時(shí)測(cè)試材料邊緣的空化現(xiàn)象比中心處更為嚴(yán)重。

盡管采用全流場(chǎng)顯示技術(shù)可以對(duì)超聲場(chǎng)作用下的錐形空泡結(jié)構(gòu)進(jìn)行圖像觀察，但該方法對(duì)其流場(chǎng)結(jié)構(gòu)瞬態(tài)演化過(guò)程仍缺乏定量的數(shù)據(jù)分析與研究。Frenkel等[14]采用粒子圖像測(cè)速儀(Particle image velocimetry,PIV)研究了超聲場(chǎng)作用下的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)瞬態(tài)演化過(guò)程。研究結(jié)構(gòu)表明，超聲波強(qiáng)度與聲流(Acoustic streaming)速度峰值呈正線性相關(guān)關(guān)系。Layman等[15]采用PIV和紅外熱像儀同步測(cè)量技術(shù)研究了20 kHz時(shí)空化區(qū)域溫度與聲場(chǎng)的關(guān)系。研究結(jié)果表明，相對(duì)較小的流動(dòng)黏度變化可以改變熱量的產(chǎn)生。Chouvellon等[16]采用PIV觀察了不同聲功率、實(shí)驗(yàn)水深和流體黏度等因素對(duì)聲流速度的影響。

超聲空化結(jié)構(gòu)是近年來(lái)備受關(guān)注的一種空化結(jié)構(gòu)，但對(duì)其復(fù)雜的空化形態(tài)和流場(chǎng)結(jié)構(gòu)還沒(méi)有很好的認(rèn)識(shí)，還需要進(jìn)一步的研究。本文采用高速攝像系統(tǒng)和PIV系統(tǒng)分別對(duì)超聲場(chǎng)作用下的錐形空泡結(jié)構(gòu)及其流場(chǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)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(chǎng)的速度測(cè)量；(2)研究聲流結(jié)構(gòu)在不同輸入功率作用下的時(shí)均速度場(chǎng)。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

圖1為研究超聲場(chǎng)下錐形空泡結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)裝置的示意圖。實(shí)驗(yàn)裝置由超聲空化裝置、高速成像系統(tǒng)和速度測(cè)量系統(tǒng)組成。本實(shí)驗(yàn)采用的超聲處理器(88-1型，中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)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(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的活塞振動(dòng)；該設(shè)備的控制單元可以實(shí)現(xiàn)不同輸入電流的精確控制與數(shù)值讀取，而輸入電壓恒定保持為220 V，因此，通過(guò)調(diào)節(jié)輸入電流即可實(shí)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(jié)構(gòu)相比，在相同的超聲功率作用下，自來(lái)水中能得到相同的空化氣泡結(jié)構(gòu)，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(guò)程中獲得更清晰的空化結(jié)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)中采用自來(lái)水來(lái)降低空化閾值。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental system

為了實(shí)現(xiàn)錐形空泡的圖像采集，使用采集速率高達(dá)100000幀/s的電荷耦合器件(Charge coupled device,CCD)相機(jī)對(duì)空化氣泡進(jìn)行捕捉。本文中使用的CCD攝像機(jī)的分辨率為1024×1024像素。光源位置和高速攝影機(jī)(拍攝角度)位置可以調(diào)整，以獲得更好的拍攝效果。此外，本文采用PIV測(cè)量聲流場(chǎng)的速度。光源是一個(gè)雙頭Nd:YAG激光器，光束擴(kuò)展可到1 mm寬。對(duì)于實(shí)際的數(shù)據(jù)采集，利用商業(yè)PIV軟件Dynamics Studio對(duì)速度矢量場(chǎng)進(jìn)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(cuò)誤向量，在PIV后處理中通過(guò)指定相對(duì)公差使用濾波器進(jìn)行處理。

2 結(jié)果與討論

圖2給出了當(dāng)輸入功率為100 W時(shí)的錐形空泡結(jié)構(gòu)瞬態(tài)演化過(guò)程。圖像是當(dāng)聯(lián)通超聲空化裝置、待變幅桿穩(wěn)定之后，通過(guò)高速攝像機(jī)拍攝所得。圖像之間的時(shí)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(jié)構(gòu)，該種空化結(jié)構(gòu)被稱為“錐形空泡結(jié)構(gòu)”。氣泡是由于超聲波的劇烈波動(dòng)從而導(dǎo)致的空化作用而產(chǎn)生的，并且這些空化氣泡初始產(chǎn)生位置為變幅桿的輻射面?？梢杂^察到，大量的空化氣泡之間通過(guò)自組織效應(yīng)遠(yuǎn)離變幅桿的聲輻射面，并朝向遠(yuǎn)離聲輻射面對(duì)稱軸上的某一固定點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，從而形成倒置的錐形空泡結(jié)構(gòu)。在該固定點(diǎn)附近，當(dāng)超聲強(qiáng)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(shí)間的瞬態(tài)演化，錐形空泡結(jié)構(gòu)的形態(tài)并未發(fā)生明顯的變化。結(jié)果表明，當(dāng)輸入功率一定時(shí)，錐形空泡結(jié)構(gòu)的形態(tài)不會(huì)隨時(shí)間發(fā)生顯著變化。這種現(xiàn)象在流體領(lǐng)域被稱為穩(wěn)態(tài)流動(dòng)。

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(dāng)輸入功率為100 W時(shí)錐形空泡結(jié)構(gòu)附近的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)速度云圖和流線圖。由于錐形空泡結(jié)構(gòu)的瞬態(tài)演化過(guò)程為穩(wěn)態(tài)，本文中采用時(shí)均PIV測(cè)量系統(tǒng)對(duì)錐形空泡結(jié)構(gòu)附近的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了定量測(cè)量。CCD相機(jī)捕獲了100組瞬時(shí)粒子圖像對(duì)(image pair)，并對(duì)它們進(jìn)行了平均化處理，得到了聲流場(chǎng)的時(shí)均速度值。圖像對(duì)之間的間隔為400μs。如圖3所示，在超聲變幅桿附近產(chǎn)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(cè)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(yùn)動(dòng)。變幅桿兩側(cè)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(yīng)較大，兩側(cè)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(yùn)動(dòng)。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(jìn)一步定量研究射流型聲流的速度場(chǎng)結(jié)構(gòu)，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(wú)量綱參量x/D，y軸為無(wú)量綱參量y/D，z軸為流場(chǎng)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(dāng)射流型聲流遠(yuǎn)離變幅桿端面時(shí)，速度值迅速降低至U=0.15 m/s左右。在遠(yuǎn)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(jié)果表明，超聲變幅桿振動(dòng)誘發(fā)的射流型聲流的速度遠(yuǎn)大于回旋流，并且流場(chǎng)結(jié)構(gòu)與空間分布緊密相關(guān)。

圖3 超聲空化流場(chǎng)結(jié)構(gòu)速度云圖Fig.3 Velocity contour of ultrasonic cavitation lf ow field

圖4 3D超聲空化流場(chǎng)結(jié)構(gòu)速度云圖Fig.4 3D velocity contour of ultrasonic cavitation lf ow field

為了研究空泡結(jié)構(gòu)與聲流結(jié)構(gòu)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，圖5給出了錐形空泡運(yùn)動(dòng)與聲流運(yùn)動(dòng)的對(duì)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(jié)構(gòu)。為了研究空泡結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)情況，采用光流法(Optical flow method)對(duì)空泡結(jié)構(gòu)中的典型氣泡進(jìn)行追蹤。圖5(a)中箭頭表征為氣泡在一定時(shí)間間隔內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡，通過(guò)計(jì)算氣泡的運(yùn)動(dòng)軌跡和時(shí)間間隔可推算出氣泡的運(yùn)動(dòng)速度值。光流法的具體介紹詳見(jiàn)文獻(xiàn)[1]。如圖5(a)可知，錐形空泡結(jié)構(gòu)內(nèi)部的氣泡存在垂直向下的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，而在錐形空泡結(jié)構(gòu)之外的區(qū)域不存在流體運(yùn)動(dòng)的情況。此外，為了獲得聲流結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)況，圖5(b)給出了基于PIV系統(tǒng)的聲流速度場(chǎng)云圖，其中紅色虛線所構(gòu)成的三角形為空泡形態(tài)，是通過(guò)提取圖2中高速攝像結(jié)果的平均值所得。由圖5(b)可知，聲流結(jié)構(gòu)的主要運(yùn)動(dòng)情況分布在錐形空泡區(qū)域，而在錐形空泡結(jié)構(gòu)之外的區(qū)域速度非常低。通過(guò)對(duì)比圖5可得，聲流是由氣泡流動(dòng)帶動(dòng)而產(chǎn)生的。為了進(jìn)一步定量研究空泡運(yùn)動(dòng)與聲流運(yùn)動(dòng)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)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(duì)比圖。如圖6所示，聲流速度和空泡速度呈正相關(guān)，進(jìn)一步表明聲流是由氣泡流動(dòng)帶動(dòng)而產(chǎn)生的。

圖5 空泡運(yùn)動(dòng)與聲流運(yùn)動(dòng)對(duì)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(duì)比圖Fig.6 Comparison of cavitation velocity and acoustic velocity under different input power

為了進(jìn)一步研究聲流結(jié)構(gòu)在空間分布情況，圖7給出了輸入功率對(duì)不同徑向位置處聲流速度的影響。觀測(cè)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(duì)于相同的y/D值來(lái)說(shuō)，輸入功率的改變顯著影響了射流型聲流的速度分布：當(dāng)輸入功率增加時(shí)，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(duì)于回旋流的影響十分微弱。對(duì)于相同的輸入功率來(lái)說(shuō)，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(duì)于回旋流的影響十分微弱。上述實(shí)驗(yàn)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(chǎng)結(jié)構(gòu)，但是對(duì)回旋流的影響十分微弱。

圖7 2D超聲空化流場(chǎng)結(jié)構(gòu)速度云圖Fig.7 2D velocity contour of ultrasonic cavitation flow field

3 結(jié)論

本文采用高速攝像和粒子圖像測(cè)速系統(tǒng)分別研究了超聲場(chǎng)下的空化形態(tài)和聲流場(chǎng)結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)研究了50 W、100 W、200 W和250 W等4種不同輸入功率對(duì)18 kHz的超聲變幅桿附近空化及其聲流場(chǎng)的影響。主要結(jié)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(jié)構(gòu)。大量氣泡通過(guò)超聲波的劇烈波動(dòng)而產(chǎn)生的，并通過(guò)自組織效應(yīng)遠(yuǎn)離變幅桿的聲輻射面，朝向遠(yuǎn)離聲輻射面的某固定點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，從而形成倒置的錐形空泡結(jié)構(gòu)。除此之外，當(dāng)輸入功率一定時(shí)，錐形空泡結(jié)構(gòu)為不隨時(shí)間發(fā)生變化的穩(wěn)態(tài)流動(dòng)。

(2)在超聲變幅桿附近產(chǎn)生了兩種顯著不同的聲流結(jié)構(gòu)，第一種是變幅桿底端的射流型聲流，第二種是變幅桿兩側(cè)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(yùn)動(dòng)。變幅桿兩側(cè)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(yīng)非常大，兩側(cè)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(yùn)動(dòng)。此外，通過(guò)研究空泡與聲流最大速度點(diǎn)之間的空間對(duì)應(yīng)關(guān)系，發(fā)現(xiàn)聲流是由空泡流動(dòng)帶動(dòng)而產(chǎn)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(chǎng)結(jié)構(gòu)：對(duì)于相同的距離來(lái)說(shuō)，當(dāng)輸入功率增加時(shí)，射流型聲流的速度峰值也隨之增加；對(duì)于相同的輸入功率來(lái)說(shuō)，隨著距離的增加，射流型聲流的速度峰值顯著減小。