含气泡液体中的声传播研究

【摘要】发生在含气泡液体中的多泡超声空化现象是空化现象研究的一个很重要的理论问题,另外对空化现象的应用场合来说,也主要是在含气泡的液体中。所以,无论是在理论上还是在实践上,对于含气泡液体中的超声空化问题的研究,都显得至关重要。针对这个问题,本文从声波在含气泡液体中传播的角度做了如下的研究工作：首先,综述了空化问题及声波在含气泡液体中传播问题的研究成果及现状。其次,对气泡动力学及流体动力学的基本问题做了有关的研究。在气泡动力学部分,我们研究了气泡在液体中的振动情况,包括气泡在纯净液体中的静态平衡问题,气泡在线性声场中的散射问题及气泡在声场作用下的非线性振动问题。我们对气泡的声散射问题进行了建模,对气泡在声场中的散射过程及液体表面张力对气泡声散射的影响做了研究。通过研究发现液体表面张力对气泡散射的影响无论是对单个气泡还是对多个气泡来说,均在低频小气泡的情况下表现地相对明显。结果认为对于较低的声频率及较小半径的气泡,液体表面张力对气泡散射的影响还是不能忽略的。另外,在液体中含有大量气泡的情况下,研究了单个气泡的振动现象,对其振动的情况进行建模,并对在考虑其它气泡声散射的情况下单个气泡在气液混合物中的振动过程进行了研究。研究发现在考虑其它气泡散射的情况下,单个气泡的体积或大小存在几种不同的可能情况,表现为：首先是气泡不会发生空化现象；其次是发生周期性的空化现象；再次是发生一次空化现象后,气泡的大小维持在某个大小的值附近振荡；最后一种是气泡长大后,维持在最大值附近振荡。而具体的振动情况需由气泡的大小、含量及驱动声场的情况综合考虑。再次,重点研究了声波在含气泡液体中的传播,包括线性传播和非线性传播两种情况。在研究含气泡液体中的线性传播时,我们对混合液体建立了两种模型：其一为复合散射模型,其二为等效媒质模型,重点通过等效媒质模型对气泡对声波在含气泡液体中线性传播的影响做了研究。研究发现,由于气泡的振动及气泡对声场的散射作用,导致声波的能量在传播过程中出现较大的衰减,另一方面,气泡的出现,改变了液体的声波传播参数,使声波传播的速度也发生了明显的变化。具体表现在,气泡含量的增加,会增大气液混合物对声波的声衰减,会减小声波传播的速度。对于有限振幅声波来说,当其在液体中传播时,气泡会在声场的作用下发生强烈的非线性振动,所以我们又建立了气泡振动的非线性模型。在非线性模型中,考虑到气泡与声场之间的相互作用,着重研究了声波在这种情况下的能量衰减情况。研究发现,由气泡的振动引起声波能量的衰减表现在如下几个方面：其一为通过气泡的振动,使部分声场的能量转化为气泡周围液体的动能及液体的势能；其二,在气泡振动的过程中,部分声场的能量通过热传导的方式从气泡传入到液体中；其三,气泡在振动过程中要克服液体黏滞的作用从而引起声场能量的耗散；其四,气泡在振动的过程中,以次级声源振动的形式将部分声场的能量以高次谐波的形式辐射出去。我们用建立的模型对声波在含气泡液体中的非线性传播过程进行了数值模拟,结果发现驱动声场的特性,混合液体中气泡的特性,均会对气液混合物中声场的分布及强度产生影响。最终发现声场的能量很难在这种情况下向前传播,会被局限在声源附近一个很小的区域。最后,我们将理论研究的结果同实验数据进行了对比,发现在一定的程度上二者符合地较好。
【作者】王勇；
【导师】林书玉；
【作者基本信息】陕西师范大学，声学，2014，博士
【关键词】含气泡液体；空化；散射；声传播；数值模拟；

【参考文献】
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