激光致双空泡的射流产生机理与控制研究

In order to obtain a micro-newton order mechanical force, which reaches micron order spatial resolution, the interactions of the laser-induced bubble pair will be investigated in this project. In order to investigate the mechanical effect from the collapsing bubble pair on the nearby object, the main concern will be put on the manipulation of the bubble jetting direction and intensity, i.e. jetting vector. The key parameters, which decide the jetting vector of a laser-induced bubble pair, include the time difference between bubble generation, the laser pulse energies determining the bubble sizes and the relative bubble positions. The jet can be induced to propergate away from the bubble pair system through the system axis, when the bubbles are equal-sized and anti-phase. Furthermore, there exists an optimal relative distance that maximizes the jetting velocity. Experimental investigation will be implemented through a combination of high speed photografhy and fiber-optic sensors based on optical beam deflection. Main effort will be put in searching of the optimal relative distance of a equal sized anti-phase bubble pair, where the maximum jetting intensity will be reached. Numerical modeling will give the theoretical prediction of the optimal relative distance for different liquids and different orders of bubble sizes, which could be helpful in setting the parameter-seaching-space in experiments. The insight gained from this project will be helpful in establishing a kind of high temporal and spatial precision method of controlled conversion of opto-energy into mechanical-energy, which can be considered to play a role in transient cell opto-injection, micro-surgeries and transport-mixing systems on microfluidic chips.

本项目拟研究激光致空泡对相互作用机理，旨在对空泡溃灭液体射流进行有效控制，从而利用液体射流产生作用区域空间尺度微米量级、大小微牛量级的可控力学作用。决定液体射流矢量的关键参数包括：空泡间相位差、空泡体积比和空泡间初始距离。当两空泡反相、等大小时，可诱导溃灭射流沿两空泡系统轴线、远离空泡对方向运动；并且存在一个最优空泡间无量纲距离，使溃灭射流速度达到极值。拟采用高速摄影技术结合光偏转法的实验策略，参考数值仿真给出的使射流矢量达到极值的空泡对关键参数的理论预测，建立产生方向、大小可控射流的实验方案。进而针对典型应用环境、代表性空间尺度，给出反相、等大小空泡对的最优无量纲距离实验测量值。研究结果将提供一种产生可控、高时空精度的光能向机械能转变的实现手段，从而为将激光致双空泡应用于微流芯片输运和混合系统、瞬态细胞光注入、生物组织微纳手术提供理论基础和实验依据。

本项目研究激光致双空泡、激光空泡与气泡相互作用产生射流的动力学现象和射流速度矢量的控制方法。通过建立基于有限体积法和体积分数法的数值仿真模型追踪两相流界面，捕捉射流演化细节，并给出了射流速度最大值附近的泡对关键参数理论预测。建立了时间分辨率达ns量级的双曝光激光频闪照相系统，实现了对于空泡脉动和溃灭射流瞬时速度的精确测量，并对泡间关键参数空间的典型区域进行实验研究，验证了理论模型的可信性，得到了产生可控射流的实验方法。通过设置不同的空泡相位差τ、两泡相对大小ρ和泡间相对距离γ参数组合，可以实现对于溃灭射流速度大小和方向的有效控制。对于毫米量级等大小空泡对（ρ = 1），射流极大值发生在空泡反相（τ = 1）、无量纲距离γ ≈ 0.8时，这种情况下将产生由相位提前空泡指向并穿透相位滞后空泡平均速度达到60 m/s的高速射流；对于毫米量级同相位空泡对（τ = 0），有望产生由体积较小空泡指向并穿透体积较大空泡平均速度达到30 m/s的高速射流，但是产生此类射流的参数空间较窄，通过数值仿真预测并由实验验证的参数空间为（0.64 < γ < 0.78，0.74 < ρ < 0.82）；对于激光空泡对，当空泡空间尺度从毫米量级降至微米量级，使其射流速度最大化的最优距离也相应减小。激光空泡与气泡相互作用的射流产生机制类似于反相位空泡对，但是由于前者对于“catapult”效应的削弱，其所产生的最大射流速度低于反相位空泡对，同时射流直径更大；使其射流速度最大化的最优相对距离为0.7；并且，穿透激光空泡的最大射流速度出现在两泡等大小时，而穿透气泡的射流最大速度对于两泡相对大小的波动不敏感。在激光空泡膨胀过程中，惯性力起主导作用；粘性力和表面张力对射流形成过程的影响强于惯性力。空泡脉动过程中对于球对称性的偏离，以及"catapult"效应的形成，是形成高速射流的决定性因素。本研究可以为微流芯片输运和混合系统、微米尺度目标的高精度操控、高时空可控的瞬态细胞光注入、生物组织微纳手术提供理论基础和实验依据。