超声波反应器中空化泡群的形成和声空化泡的耦合振动

In this project, we will explore the formation mechanism of acoustic cavitation bubble cluster and the oscillation of bubbles in ultrasonic reactor. First, the formation process of acoustic cavition bubble cluster will be observed, and the model of coupled oscillation of bubbles will be introduced. Based on the experimental results and the model, the properties of bubble oscillation will be studied. Second, the effects of medium, driving ultrasound, and boundaries on the coupled oscillations of bubbles will be considered. The influence factors related to the process of cavitation for the multi-bubble system will be analyzed in order to make clear the critical factors ralated to the cavitation intensity which may provide a thereotical and experimental basis for the control of cavitation intensity in the ultrasonic reactor. Third, the acoustic microstreaming, distribution of shear stress, and jets in the liquid around the multibubble system will be simulated, and the interaction between bubbles and surrounding medium will be taken into account, which will be helpful to understand the diversity of dynamical effect and the mechanism of cavitation. Fourth, the quantitative measuring method of cavitation intensity will be introduced. Our main purpose is to develop a basic theroy related to the distribution of sound field, cavitation effects and the interaction between ultrasound and medium. We will make an effort to give some advice to solve the problems in the course of designing a ultrasonic reactor device and measuring the reaction efficiency.

本项目对超声波反应器中声空化泡群的形成机制和空化泡间的耦合振动相关的空化影响进行研究。第一，观察超声波反应器中声空化泡群的形成过程，建立超声波反应器中多气泡耦合振动的动力学模型，并以此为基础探讨气泡的振动特征。第二，探讨介质特性、声波特征以及边界等对多气泡耦合振动的影响，分析多气泡空化行为的发生、发展和剧烈程度的影响因素，寻找决定超声波空化强度的关键因素，为控制超声空化的发生和发展提供理论和实验依据。第三，对多空化气泡系统引起的声微流、剪应力分布以及微射流等进行数值模拟，建立气泡与介质间的相互作用模型，对空化机理进行深入分析，探索超声波动力学效应的多样性特征。第四，提出声反应器中定量测量空化强度的方法。本项目主要目的在于发展局部空间内声场分布、空化效应和声与物质相互作用相关的基本理论，为解决超声波反应器在设计和反应效率的度量过程中遇到的声学问题做出努力。

气泡动力学研究为超声空化在超声治疗、超声清洗、超声提取和超声声化学等领域的应用奠定理论基础，空化场的描述和实验研究超声空化在应用过程中的剂量控制提供依据。本项目研究超声波作用下气泡间的相互作用和空化影响，主要工作有：.（1）发展了超声波反应器中局域群振动动力学模型，分析气泡非线性振动规律和声响应状态。研究表明：群振动气泡的最可几平衡半径在几个微米量级；声共振频率相对于单气泡而言向低频区移动，且存在倍频共振和分频共振现象；群振动有利于增强空化效应。.（2）建立了气泡与粒子间相互作用的理论模型；分析了弱空化条件下气泡和粒子间的微流分布；研究了二者之间的相互作用对其运动行为的影响发现粒子密度和液体密度的比值可影响粒子和气泡在声场中的平动状态；为进一步探索粒子和气泡间的相互作用相关的物理效应奠定了理论基础。.（3）对强超声场内物质运动和变化开展了实验研究。首先，探索了超声波作用下有机污染物降解的物理机理；其次，寻找包含粒状物质的复合介质体系中与超声空化作用相关的噪声频谱、电导率、温度等量的变化规律，研究不同界面特性对空化分布和强弱状态的影响。.（4）设计了新型复合声反应器，研究不同能量耦合作用展开有机污染物降解的作用机制，分析容器形状、换能器分布状态、换能器工作模式等对声反应器工作效率的影响。.在本项目研究过程中我们发展了泡群振动、气泡与粒子间的相互作用的基本理论，分析了在高强度超声波作用下同声波与介质的相互作用机理。基本完成了项目既定的研究内容和目标。