超声场中双气泡的非稳定性及其声致发光光谱

Two-bubble Sonoluminescence (TBSL), a phenomenon that forms a pair of micro-sized gas bubbles, is generated in liquid irradiated with ultrasound waves of sufficiently intensity. The spectra of TBSL contain the information and clue resulted from the interaction between two bubbles. Centered around both the instability and spectral characteristics on TBSL bubbles, this project will first obtain the correlation between the stability of two bubbles and the parameters such as the driving frequency and pressure of sound, and the magnitude of gas dissolved in the host liquid. Second, The TBSL will be implemented experimentally so that the spectra of TBSL will be collected. Third, we shall compute the spectra of TBSL based on the equations of fluid mechanics, the dynamical equations of two-gas-bubble, and the spectral theory, and then the temperatures, pressures, densities and materials inside the two bubbles are obtained. This study can help to analyze the stability of multi-bubble Sonoluminescence (MBSL) bubbles, and probe the acoustic cavitation by using the spectra of TBSL, which has scientific value to promote the application of acoustic cavitation and Sonoluminescence.

双泡声致发光是液体中一对气泡在强超声作用下的发光现象。双泡声致发光光谱包含了气泡之间相互作用的信息和线索。本项目围绕双泡声致发光气泡的非稳定性及其光谱特性展开研究。首先，研究双气泡在超声场中的稳定性对超声频率、声压幅度和液体含气量等参数的相关性；然后，实验实现双泡声致发光，收集其光谱；第三，结合流体力学理论，双气泡动力学方程组和光谱学理论，计算双泡声致发光光谱，分析两个气泡内部的温度，压强，密度以及物质成分。这对进一步探究多泡声致发光气泡的稳定性，利用声致发光光谱分析液体声场中不同位置的空化效应，推动声空化和声致发光的应用，具有科学性的指导意义。

本项目的主要研究内容、结果及其意义包括三个部分。（1）基于势流理论和摄动理论，建立了描述双空化泡脉动、平移和形变的耦合模型。该模型可以分析超声场中双气泡系统的脉动、平移、形变、非球形振动及其稳定性等复杂动力学行为，这对研究多空化泡系统的动力学及其声空化的应用具有一定的理论指导意义；（2）在单泡声致发光（SBSL）辐射模型的基础上，考虑两个气泡之间的相互作用，建立了双泡声致发光（TBSL）的辐射模型。研究结果表明：双空化泡之间的相互作用能破坏空化泡的稳定性，影响空化泡的动力学行为，最终导致TBSL和SBSL光谱特征的差异；（3）研究了SBSL和多泡声致发光（MBSL）发光瞬间，空化泡内部的各种粒子数密度和电离度，计算结果表明在一定的条件下，SBSL气泡内部的最大电离度大约是MBSL气泡内的10000倍，间接说明MBSL条件下产生的水合电子，其数量仅是SBSL条件下的万分之一，解释了水合电子对MBSL光谱影响不明显的实验现象。这些研究成果已发表在国际学术期刊上，对深入认识空化泡动力学和声致发光具有重要意义。