超声作用下准静态空化泡运动方程及等温态液滴运动方程的研究

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本文以R-P空化泡方程的理论研究为基础,运用理想气体多方过程定义及正压性流体压力函数推导出一种新的空化泡运动方程,此过程巧妙地消去了多方指数,使多方指数取值对空化泡运动研究结果的影响转移到了外加超声场和气泡瞬时大小上。超声作用过程中声场和气泡瞬时大小都是动态的,与多方指数取某一固定值相比,更能准确地反应气泡的热力学状态。因此,此方程可用于由无数无限短多方过程组成的各种准静态过程。数值模拟结果表明声压幅值越大、超声频率越低、表面张力和连续相液体粘滞系数越小、初始半径越大,气泡运动越剧烈;表面张力与连续相液体粘滞系数减小到一定程度后,其变化对气泡运动几乎就没有影响。与绝热系数取1.67的绝热态空化泡运动方程模拟结果相比可知:声压幅值越大,气泡从生长到收缩至初始半径R=Ro的过程中,绝热态和准静态空化泡运动方程所得气泡运动情况就越接近一致,且当声压幅值足够大时,无论超声频率、表面张力系数以及连续相液体粘滞系数取值多少,此阶段都可近似看做准静态绝热过程;当初始半径相当小时,气泡从生长到收缩至初始半径R=Ro的过程也可近似当成准静态绝热过程,但初始半径比较大时,此阶段不能当成绝热过程处理,而应属于其它准静态过程;气泡运动到小于初始半径即快要崩溃时不能当成准静态绝热过程,也应属于其它准静态过程。其次,鉴于两种不相混溶液中分散相液滴模型与空化泡模型的异同(相同处:单个空化泡模型可简化成超声场中无限大区域液体中存在的一个微小球型气泡,单个液滴模型可简化成超声场中无限大区域液体中存在的一个与之不相混溶的微小球型液滴,因此液滴和空化泡有相同的外形和外在环境。不同处:空化泡模型中气泡壁内外分别为气体和液体,气泡壁是由气液两相组成的气液表面;液滴模型中液滴壁内外都为液体,液滴壁是由液液两相组成的液液界面。)且其在超声场中的运动都依据能量守恒原理,本文对其不同处加以考虑,主要做出以下变动:用液液界面张力代替气液表面张力,用液体等温状态方程推导出的液滴壁的受力代替用理想气体状态方程推导出的空化泡壁的受力,后借鉴空化泡方程推导理论,得出超声作用下等温态液滴运动方程。对此方程进行数值模拟,结果表明,两相液体中分散相液滴在超声作用下所发生的变化,不仅取决于液滴本身及连续相液体的参数,也取决于外界所加超声激励参数。对于不同连续相液体所对应的不同声速,密度,粘滞系数而言,声速对液滴半径变化几乎没影响,密度和粘滞系数越小液滴半径变化越明显,静压越大液滴越不容易发生体积变化,初始半径越大液滴变化幅度越小,当初始半径足够大时,即使有强超声作用,液滴半径也很难发生变化;在液滴与连续相液体确定的情况下,超声激励声压幅值越大或频率越低液滴半径增长幅度越大。当激励频率足够大时,液滴半径几乎处于初始半径的稳定状态。在超声激励下与液滴压缩相比液滴增长更明显些。通过分析油相中水滴在超声场中半径变化的模拟结果,可以推测出反相乳液系统或类似于反相乳液系统其内部近似水滴部分在超声作用下也可能发生增长和微小收缩现象,并且增长收缩程度不仅取决于外加超声场的各个参量,而且取决于所研究系统本身的一些参量。
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