液体空化初生及空化核形成规律的分子动力学模拟与实验

The researches of liquid cavitation and cavitation inception are of great importance in such areas as shipbuilding, underwater ordnance,drilling industry and power engineering. This project plans to employ molecular dynamics simulations and short bursts of high frequency ultrasonic waves to study the inception of liquid cavitiaon and the evolvement of cavitation nuclei. In the molecular dynamics simulations, the dependences of the cavitation inception on the dissolved and undissolved gas molecules and clusters, solid impurities of different properties, will be investigated. In the high frequency short pulse ultrasonic wave experiments, specially designed resonators guarantee certain cavitation sites apart from the container walls. With a large number of cavitation experimental data and appropriate statistical method, cavitation inception data will be analyzed and compared with the simulation results. Based on the comparison and theoretial analysis, the authors expect to develop a theoretical model which will better describe the evolvment of the cavitation nucleus and the cavitation inception.

对空化初生及空化核形成规律的研究，在船舶、兵器、钻探以及能源利用等领域的空化相关问题中都有重要的科学意义和工程价值。本项目旨在通过微观尺度的分子动力学模拟与形核位置可控的脉冲超声空化实验相结合的方法，研究空化现象的成核及空化初生机制与规律。在微观模拟中分析溶解气体、非溶解气相团簇、不同性质的固体颗粒在空化成核过程中的作用，以及空化核的发生发展规律。在高频短脉冲超声激发液体空化的实验中，通过对超声发射端与反射端几何形状的优化设计，形成远离器壁的固定位置空化；同时通过大量空化实验及适当的统计模型，获得空化初生的定量化实验数据。最后，结合微观模拟和可控实验的结果，探讨空化初生及空化核形成的微观机制与规律，并在此基础上改进和发展描述空化初生及空化核形成过程的理论模型。

本项目通过高频脉冲超声空化实验与微观尺度的分子动力学模拟相结合的方法，研究了固体纳米颗粒杂质及不溶性气体对水的空化初生过程和空化核形成的影响规律。实验方面设计并搭建了高频脉冲超声空化实验装置，并系统地测量了含有不同尺寸的二氧化硅颗粒及不同含气量的氮气和氧气的水中的临界空化压力。模拟方面系统地研究了不同尺寸的二氧化硅颗粒和聚乙烯颗粒及不同含气量的氮气和氧气对水空化初生过程的影响，通过VORONOI分割法计算气泡大小，采用首次穿越时间法计算形核率，同时通过几何法计算水中氢键结构网络，并跟踪气相分子与气泡相对位置。通过实验及模拟结果的对比验证，从微观角度探讨了固体颗粒及气体杂质对水空化初生过程的影响机制，揭示了杂质破坏水中氢键网络、促进空化核形成、促进空泡生长的微观机理。