液体薄层中的超声空化研究

从2005年首次提出液体薄层超声空化概念至今只有数年，研究工作相对前沿，且有待深入。我们已进行的预研究发现，液体薄层超声空化中存在着蜂窝状空化云等多种全新类型的具有强烈自组织特性的空化云结构，极具科学价值。此外这种薄层空化布局可以在较宽的频域范围内和较低的输入功率下产生高空泡密度的强空化，为声空化的放大应用提供一条新的解决思路。本项目拟从薄层几何特性、振体特性、反射面特性以及流体特性等几个方面，利用光学、声学、力学、化学的实验手段，以及流体力学和声学相结合的理论研究和数值模拟方法系统研究液体薄层内空化泡、空化云、空化场的运动和分布，及其稳态和瞬态过程，探明液体薄层内超声空化产生、发展、运动和演化的基本规律及其影响因素，建立液体薄层超声空化初步理论，并完善薄层空化技术，为薄层空化在声空化反应器的放大、表面处理，表面清洗等领域的应用提供理论依据。

薄层空化是一个相对前沿的研究方向，本项目利用光学、声学、力学、化学的实验手段，结合理论分析和数值模拟方法较为系统的研究了微米-毫米级厚度液层内的空化现象。实验发现薄层空化云会形成一种亚稳态的空间分布，这种分布随着薄层厚度的变化而表现为不同的空化结构。我们对薄层空化结构进行了特征提取和分析，认为这种结构是超声场与空化云相互作用取得暂时性平衡的结果。我们发现这种薄层空化结构存在一种长期的记忆效应（数秒量级），我们对这种记忆效应的产生机理和影响因素进行了分析，同时通过改变记忆效应的延迟时间，我们也讨论了空化核再分布的问题。此外我们还新发现了两种植核空化结构，研究了包括上述两种空化结构在内的几种典型的超声空化结构（Conical bubble structure, Smoker bubble structure, Acoustic Lichtenberg figure, Tailing bubble structure, Jet-induced bubble structures）的形成机制、产生条件、相互关系以及控制方法等等。初步形成了相对完整的液体薄层超声空化理论，为薄层空化在声空化反应器的放大、表面处理，表面清洗等领域的应用提供了理论依据。