启航论坛之7：超声空化气泡动力学研究——王寻 博士
报告人简介：
上海电机学院航空学院讲师。本科毕业于南京理工大学探测制导与控制技术专业，博士毕业于南京大学声学专业，曾经在上海交通大学和中国科学院声学研究所进行博士后研究。主要从事超声空化和康复医疗器械相关研究。主持省部级项目1项，常州市龙城英才计划项目1项，上海市教委项目1项，教育部重点实验室开放课题1项。作为第二负责人参与省部级项目1项。与医疗器械公司合作开发了多种产品。发表SCI论文15篇，EI论文3篇；获得发明专利2项，实用新型专利5项，软件著作权3项。指导学生获第八届中国国际“互联网+”大学生创新创业大赛校内选拔赛铜奖，主讲《C语言程序设计》《面向对象软件开发基础》《软件开发基础1》和《软件开发基础2》本科生课程4门，参与校级教改课题1项。
报告内容：
当足够强度的超声波在液体中传播时，会使得液体中原先存在的气核逐渐成长为肉眼可见的气泡。这一现象被称为超声空化。超声空化在催化、乳化和清洗等领域有广阔的应用前景。在飞行器运维领域，超声空化被应用于航空发动机零部件的清洗，清洗效果已被实验证实。
图1航空发动机零部件超声清洗效果对比
汇报人对超声空化气泡动力学进行了研究。通过锁相积分的方式拍摄了表面活性剂溶液中的单气泡脉动，讨论了表面活性剂对气泡动力学行为的影响。研究表明，十二烷基硫酸钠(SDS)浓度越大，(1)气泡平衡半径越小；(2)气泡最大半径和最小半径越小；(3)气泡最大半径与平衡半径的比值增大。注意到上述值在表面活性剂达到一定浓度后均会趋向于饱和。
图2表面活性剂溶液中单气泡动力学研究
数值求解气泡动力学方程，基于庞加莱分析法和分岔图，对单气泡和多气泡系统中气泡脉动和平移的非线性特性进行了讨论。研究表明，若气泡存在于刚性壁面附近，则刚性壁面对气泡辐射声波的反射会使得气泡的分岔和混沌在更低的驱动声压处出现，即在一定程度上增强气泡脉动的非线性特性。
图3刚性壁面附近气泡动力学非线性特性研究
通过数值求解移动双气泡动力学方程，研究了双气泡系统中气泡移动规律与气泡相位和驱动声压幅度的关系。研究发现，(1)两气泡脉动相位接近则相互靠近，相位远离则相互排斥；(2)驱动声压幅度越低，气泡越容易相互接近。
图4双气泡移动规律研究
对比了位置固定多气泡系统和考虑移动多气泡系统中气泡脉动的分岔图。研究表明，对于双气泡系统，当驱动声压幅度较低时，移动对脉动非线性特性的影响不明显；若驱动声压幅度较大，则气泡移动会使得气泡脉动出现明显的混沌。对于三气泡系统，上述规律同样存在。且三气泡系统中高幅度声压作用下气泡的移动对脉动非线性的增强效果更为明显。
图5双气泡与三气泡系统中气泡脉动分岔图。(a)位置固定双气泡, (b)位置固定三气泡, (c)移动双气泡, (d)移动三气泡
另外，对比考虑移动情况下的双气泡系统与三气泡系统中气泡位置的分岔图，可以发现三气泡系统中气泡位置的混沌变化会在更低幅度驱动声压处出现，即气泡数量的增加也会使得振动系统非线性有所增强。
图6移动双气泡和移动三气泡位置变化分岔图
对空化液体中超声传播进行了理论和实验研究。在实验中发现，可利用变空化阈值液体实现声波在液体中的不对称传播。对于模式1而言，当声波从左向右传播时，声压始终低于液体空化阈值，液体中无空化现象产生，声能量衰减较少，右侧输出声能量较大。当声波从右侧向左侧传播时，由于声波在右侧液体中传播时声压高于空化阈值，声能量衰减较快，左侧输出声能量较低。
图7声波不对称传播（模式1）
对于模式2而言，入射声能量较大，当声波从左向右传播时，声压始终高于液体空化阈值，右侧输出声能量较低。当声波从右向左传播时，仅在右侧液体中声压高于空化阈值，左侧输出声能量较高。
图8声波不对称传播（模式2）
在理论方面，通过数值求解线性化后得到的描述空化液体中声传播的线性微分方程，可对实验现象进行理论验证。
图9线性模型计算得出的空化液体中声压分布
也可以不对气泡动力学方程进行线性化，而是直接联立求解耦合气泡动力学方程和声传播方程，得到空化液体中不同位置处声压和气泡半径随时间的变化规律，并计算液体中声能量，对实验现象进行验证。
图10非线性模型计算得出的空化液体中声能量分布
上述研究可为超声空化在航空发动机零部件清洗中的应用提供理论基础，有利于促进空化清洗在飞行器运维领域的应用。
参考文献
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