研究揭示聲-流耦合空化機理

空化（cavitation）通常是指液體中壓強下降到足夠低時，氣泡或者氣泡群的生成及演化的現象。空化往往伴隨著高溫高壓、衝擊波、微射流及其衍生的生物化學效應，在液體處理、環境工程、醫療等很多領域有廣泛的應用。

傳統的超聲空化和水力空化在範圍或強度方面存在局限性，無法滿足工業應用中高強度、大範圍空化場的需求。近年來，一些研究者將超聲空化和水力空化並聯起來，即聲-流耦合空化，降解水中的有機物，發現其化學反應效果相比單獨空化顯著增強，存在協同效應，能顯著提高空化處理效果。

這種新的空化形式為空化工業規模應用提供了新思路。然而，截至目前，國際上僅有的幾篇相關研究文獻，基本都是利用聲-流耦合空化對各種有機物降解的化學實驗和效果比較，對聲-流耦合空化本身的物理特性和機理研究幾乎空白。

近期，中國科學院聲學研究所超聲技術中心博士吳鵬飛等人對聲-流耦合空化機理展開了系統研究，揭示了聲-流耦合空化的物理機制。相關成果於近日在線發表於國際學術期刊Ultrasonics Sonochemistry。

吳鵬飛等人搭建高速攝影和空化雜訊同步觀測的聲-流耦合空化實驗平台，觀察分析聲-流耦合場中空化泡、空化雲的演化規律及相應的空化雜訊特徵。研究人員提出了空化強度的一種新表述，和一種基於高速攝影圖像分析來測量空化強度的方法，進一步對聲-流耦合空化的時間演化周期性和空間強度分布進行定量計算。

基於高速攝影圖像分析來測量空化強度，主要分為兩個環節。第一步，建立空化狀態變數q與透過空化雲的光強分布之間的物理關係（圖1黃色箭頭）；第二步，從觀測照片中提取光強分布信息，結合第一步得出空化狀態變數，再對空化狀態變數進行時間平均，即可得到表徵空化強度的量。

實驗分析結果表明，相比單獨的超聲空化或水力空化，聲-流耦合空化的強度和作用範圍出現顯著提升（圖2），存在協同效應。

理論模擬的聲-流耦合空化泡的膨脹潰滅，相比單獨水力空化和單獨超聲空化，表現得更為劇烈。綜合實驗觀測和理論分析，聲-流耦合空化使空化加強的物理機制主要有三方面：空化核源補給、空泡裂解增生和空化閾值降低。

圖1 圖像分析法示意圖（圖/吳鵬飛）

圖2 空化雲強度分布 A：水力空化；B：聲-流耦合空化； C：超聲空化（圖/吳鵬飛）

來源：中國科學院聲學研究所

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