超聲空化現(xiàn)象的研究進(jìn)展

超聲空化現(xiàn)象的研究進(jìn)展

0聲空化現(xiàn)象的概念研究在原油或液體系統(tǒng)中，當(dāng)流動(dòng)液體的壓力降低比空氣分離壓低時(shí)，溶解在液體中的空氣將離開，并在液體和固液體的交叉處產(chǎn)生大量氣泡。這些氣泡通常被稱為空孔，空孔的形成、發(fā)展和崩潰過程被稱為空間化。在液體中,空化氣泡可因聲波而產(chǎn)生、發(fā)展和破碎,因而產(chǎn)生強(qiáng)大的壓力、高溫、強(qiáng)噪聲、有時(shí)還發(fā)光、發(fā)低頻電磁波?？栈瘹馀莸拿}動(dòng)(沿半徑方向的振動(dòng))理論非常復(fù)雜。聲空化也是一個(gè)極其復(fù)雜的物理現(xiàn)象,它是超聲技術(shù)應(yīng)用中的一個(gè)十分重要的基礎(chǔ)研究課題。近一個(gè)世紀(jì)來,人們對(duì)它的研究興趣與熱情經(jīng)久不衰。1971年,Rayleigh發(fā)表了題為“液體中球形空腔崩潰時(shí)產(chǎn)生的壓力”的著名研究論文,對(duì)空化現(xiàn)象的理論研究做出了重大突破,為半個(gè)多世紀(jì)以來的一切有關(guān)空化理論研究奠定了基礎(chǔ)。近二三十年來,由于超聲醫(yī)學(xué)、聲化學(xué)及非線性聲學(xué)的迅速崛起,對(duì)聲空化的實(shí)驗(yàn)與理論研究又形成了超聲學(xué)基礎(chǔ)研究中的一個(gè)新的熱點(diǎn)?？栈F(xiàn)象對(duì)物體的破壞作用是十分強(qiáng)大的,反過來,如果設(shè)法將這種有害作用變成有利作用,比如在工業(yè)清洗、切割和鉆探作業(yè)的水射流中人為地引入空化,利用其強(qiáng)大的破壞作用和振動(dòng)噪聲沖擊波來提高清洗、切割和鉆探的效率,其效果也是顯著的。故本文在對(duì)超聲空化機(jī)理研究的基礎(chǔ)上,對(duì)超聲空化的影響因素作了研究、分析與總結(jié),以對(duì)超聲化技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用提供依據(jù)。1u3000空化泡的形成當(dāng)聲波在媒質(zhì)中傳播時(shí),它將引起媒質(zhì)分子以其平衡位置為中心的振動(dòng)。在聲波壓縮相時(shí)間內(nèi),分子間的平均距離減小;而在稀疏相內(nèi),分子間距將增大,對(duì)于強(qiáng)度為I的聲波,它作用于媒質(zhì)的聲壓為Pa=PAsinωt,PA為聲壓振幅,ω為聲波的角頻率,且I=P2A/2ρc,ρ、c分別為媒質(zhì)的密度及聲速。因此,在聲波的負(fù)壓相(即稀疏相)內(nèi),媒質(zhì)受到的作用力為(Ph-Pa)Ph為流體靜壓力。倘若聲強(qiáng)足夠大,使液體受到的相應(yīng)負(fù)壓力亦足夠強(qiáng),那么分子間的平均距離就會(huì)增大到超過極限距離,從而破壞液體結(jié)構(gòu)的完整性,導(dǎo)致出現(xiàn)空腔或空穴。一旦空穴形成,它將一直增長至負(fù)聲壓達(dá)到極大值(-Pa)。但是,在相繼而來的聲波正壓相內(nèi)這些空穴又將被壓縮,其結(jié)果是一些空化泡將進(jìn)入持續(xù)振蕩,而另外一些空化泡將完全崩潰。然而為了在水中形成空化泡需要多高的聲壓呢?根據(jù)前人的推導(dǎo),可以證明,對(duì)于較大的空泡,即Ρh＞＞2σRePh＞＞2σRe時(shí),Blake閥值壓力PB。有:ΡB=Ρh+8σ9(3σ2ΡhR3e)1/2(1)PB=Ph+8σ9(3σ2PhR3e)1/2(1)對(duì)于較小的空泡,即2σRe＞＞Ρh2σRe＞＞Ph時(shí)有;ΡB=Ρh+0.77σRe(2)PB=Ph+0.77σRe(2)此處Re——空化泡的半徑;Ph——流體靜壓力;σ——液體的表面張力系數(shù);2σRe2σRe——空化泡的表面張力。在一般情況下,空化閥值聲壓還要低的多,這是因?yàn)橐后w中總是存在一些張力強(qiáng)度薄弱點(diǎn),其原因則是液體中含有氣核(溶解氣體及懸浮的小氣泡),容器表面及固體懸浮顆粒裂縫中陷附的氣(或汽)核等。圖1表示出陷附在懸浮固體顆粒表面裂隙中氣核的情況。在聲波負(fù)壓相作用下,液體中壓力減小,氣核表面向外凸;在聲波正壓相作用下,液體內(nèi)壓力增大,則氣核表面向內(nèi)凹;當(dāng)負(fù)壓足夠大時(shí),氣核可能會(huì)脫離固體表面而形成獨(dú)立的微氣泡。在空化泡擴(kuò)大過程中,溶于液體中的氣體(如果存在的話)和液體蒸汽會(huì)逸入空腔,因此液體的空化泡可能存在有如下幾種類型;空的空腔(對(duì)應(yīng)所謂真空化);充氣空腔;充汽空腔;充氣與汽的空腔。正是這些不同類型的空化泡在聲場作用下表現(xiàn)出的動(dòng)力學(xué)行為,才造成剝蝕等現(xiàn)象及構(gòu)成了聲化學(xué)反應(yīng)的動(dòng)力或原因。為了很好地開發(fā)及應(yīng)用超聲空化,很有必要進(jìn)一步對(duì)超聲空化的各種影響因素進(jìn)行深入的研究分析。2物理因素的影響我們已知道,研究超聲空化現(xiàn)象時(shí)要涉及到諸如液體、聲場及環(huán)境等多方面條件因素,因此描述這些條件的許多有關(guān)物理參數(shù)都會(huì)影響到空化的過程,如成核、空化泡的振動(dòng)、生長及崩潰。在此我們來分析與討論這些參數(shù)是如何影響空化過程的。2.1一些液體物理參數(shù)的影響2.1.1分子間引力為在液體中形成空腔或充汽空腔,要求在聲波膨脹相內(nèi)產(chǎn)生的負(fù)聲壓能克服液體分子間的引力,因此在粘滯性大的液體中空化較難發(fā)生。有關(guān)的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)在表1中給出。由表中數(shù)據(jù)可見,η對(duì)PA值的影響雖然不大,但確實(shí)可以看出。如海貍油的粘滯系數(shù)是玉米油的10倍,空化閥值聲壓增大了近30%。2.1.2表面張力系數(shù)i通過對(duì)瞬態(tài)空化理論的研究,可以得到以下兩個(gè)公式:(1)空化泡內(nèi)壓力Ρmax=Ρg[Ρm(r-1)Ρg]rr-1(3)Pmax=Pg[Pm(r?1)Pg]rr?1(3)Pmax——空化泡內(nèi)最大壓力(瞬態(tài)空化泡崩潰時(shí)泡內(nèi)最高壓力);Pg——起始半徑時(shí)泡內(nèi)的壓力;Pm——空化泡在崩潰過程中受到的總壓力,可以近似看成是不變的常量Pm;γ——?dú)怏w的比熱比γ值。如空化泡收縮到最小體系Vmin時(shí)發(fā)生崩潰,則在崩潰的瞬間把壓力Pmax釋放到液體中,正是這個(gè)強(qiáng)大的壓力引起了一系列常見的超聲效應(yīng),諸如腐蝕、分散、高分子解聚及剝蝕等。(2)溫度對(duì)泡內(nèi)壓力的影響Τmax=Τmin[Ρm(r-1)Ρg](4)Tmax=Tmin[Pm(r?1)Pg](4)Tmax——瞬態(tài)空化泡崩潰時(shí)泡內(nèi)最高溫度;Tmin——環(huán)境溫度;Pg——起始半徑時(shí)泡內(nèi)的壓力。在清洗及聲化學(xué)的應(yīng)用中Tmin取環(huán)境溫度;泡內(nèi)壓力Pg取液體蒸汽壓PV,這是因?yàn)橐话阏J(rèn)為,瞬態(tài)空化泡在增長過程不伴隨發(fā)生氣體向泡內(nèi)的擴(kuò)散。與粘滯系數(shù)(η)相似,液體的表面張力系數(shù)(δ)增大(意味著空化泡收縮力增大)要求空化閥值增高,但是一旦液體中形成空化泡,其崩潰時(shí)伴隨產(chǎn)生的Tmax與Pmax值也會(huì)增高,這是因?yàn)?空化泡崩潰開始(即指收縮開始)時(shí)的泡內(nèi)的總壓力(Pm)增大[參見式(3)及(4)]。2.1.3pmasp4m4液體的蒸汽壓高,其空化效應(yīng)則減弱,這可從式(4)看出(只要把其中的Pg看成是PV)。Pg值增大會(huì)導(dǎo)致Tmax值下降。初看式(3),似乎Pg對(duì)Pmax的影響不明顯,為便于計(jì)算,我們近似假設(shè)比熱γ保持常數(shù)(實(shí)際上γ隨蒸汽進(jìn)入空化泡而下降),并等于1.33,那么由式(3)立即會(huì)得到Pmax～P4m4mP-3g?3g。由此則很明顯,隨著Pg增加Pmax將迅速下降,即空化效應(yīng)變得緩和。2.1.4超聲波傳播一般來說,溫度升高,空化閥值下降。其原因是隨著溫度升高、蒸汽壓(PV)增高,表面張力系數(shù)(δ)及粘滯系數(shù)(η)則下降,為進(jìn)一步了解這些參數(shù)(σ、η、PV)如何影響空化閥值,我們來分析水中,(流體靜壓力Ph=1.1013×105Pa)一個(gè)半徑為Re的空化泡的情況。水中一個(gè)氣泡同時(shí)受到二種方向相反的力的作用,一種是自液體對(duì)它的壓力,此壓力由流體靜壓力(Ph)和氣泡的表面張力(2σRe)二部份組成;另一種來是氣泡內(nèi)的膨脹力,它包括氣體壓力(Pg)與蒸汽壓力(PV),如氣泡在液體中處在平衡態(tài),則必需滿足式(5)。ΡV+Ρg=Ρh+2σRe(5)顯然,如膨脹力(PV+Pg)大于外部壓力(Ρh+2σRe),氣泡將大;反之則縮小,即氣泡增大的條件是:ΡV＞Ρh+2σRe-Ρg(6)如果我們假設(shè),表面張力(2σRe)及泡內(nèi)氣壓(Pg)甚小,可略而不計(jì),那么只需PV>Ph,氣泡即可增長。對(duì)于水而言,100℃時(shí)的蒸汽壓PV為1.1013×105Pa,故水在100℃時(shí)沸騰。25℃時(shí)水的蒸汽壓為2.30×103Pa;因此如果環(huán)境壓力減小到等于或小2.30×103Pa,那么在25℃下的水亦可沸騰?，F(xiàn)在我們來分析水中傳播超聲波的影響。此時(shí)水中的總壓力為Ph+Pa。Pa=PA=sinωt時(shí),即Pa隨時(shí)間(t)而變化,當(dāng)sinωt>0時(shí),Pa為正,Pa在0與PA之間變化,即水中壓力在Ph與Ph+PA間變化;當(dāng)sinωt<0時(shí),水中壓力在Ph及Ph-PA間變化。因此,在有超聲波傳播的情況下,式(6)變成:ΡV＞(Ρh-Ρa)+2σRe-Ρg(7)如果表面張力(2σRe)及氣體壓力(Pg)貢獻(xiàn)可以忽略,則上式變成:ΡV＞Ρh-Ρa(8)這表明,當(dāng)蒸氣壓(PV)大于(Ph-Pa時(shí),液體即會(huì)沸騰,已知在100℃及25℃時(shí)的PV分別為1.1013×103Pa及2.30×105Pa,則為滿足式(8)要求Pa近似為0及1.1013×105Pa。這表明,在較低溫的水中產(chǎn)生氣泡需要的聲強(qiáng)值較高。如果,表面張力(2σRe)不可忽略,則式(8)將變成:(ΡV-2σRe)=Ρ1h＞Ρh-Ρa(9)因此,如果我們使用表面張力較小的液體,P1h值將增大,在滿足式(9)的條件下,Pa可以減小。水的表面張力溫度而變化,如圖2所示,即溫度增高導(dǎo)致表面張下下降;PV值增高,即P1h值增高,則為產(chǎn)生空化泡所需的閥值聲壓Pa值會(huì)減小[參見式(9)]此外,溫度升高會(huì)使液體粘滯系數(shù)(η)下降,從而空化閥值亦會(huì)下降,綜上所述,溫度升高會(huì)使空化泡的產(chǎn)生變得容易。上述都是從產(chǎn)生空化泡的難易程度而言的,從另一方面看,蒸汽壓上升(由于溫度的升高)又會(huì)導(dǎo)致空化強(qiáng)度或空化效應(yīng)下降,這可由式(4)及(3)看出,由于Pg(此時(shí)應(yīng)是PV)升高,Tmax及Pmax都要下降,而且由于溫度升高,使所需Pa下降,遂使Pm(Ph+Pa)值下降,這進(jìn)一步使Tmax=Pmax值下降。因此,為獲得盡可能大的聲化學(xué)效益或聲空化效應(yīng),應(yīng)該在較低的溫條件下工作,而且應(yīng)選用盡可能低蒸汽壓的液體。2.1.5氣體導(dǎo)熱系數(shù)由式(3),(4)知,氣體的比熱γ值越大,由空化效應(yīng)獲得的聲化學(xué)及聲空化的效益越大。因此,使用單原子氣體(He、Ar、Ne)要比使用雙原子氣體(N2,空氣及O2等)為好。但應(yīng)該指出,只考慮氣體的比熱比r值影響還不夠,還需考慮氣體導(dǎo)熱性對(duì)空化效應(yīng)的影響,如果氣體的導(dǎo)熱系數(shù)大,那么在空化泡崩潰過程中所積累的熱量將更多地傳向周圍液體,從而使Tmax值降低。不過,實(shí)驗(yàn)上尚未觀測(cè)到導(dǎo)熱系數(shù)與聲化學(xué)效應(yīng)之間嚴(yán)格的相關(guān)關(guān)系,這可由表2中所列的數(shù)據(jù)看到。液體中氣體含量的增加將導(dǎo)致超聲空化閥值聲壓下降及空化泡崩潰時(shí)形成的沖擊波強(qiáng)度減弱。閥值下降是由于液體中空化核(亦即液體中的結(jié)構(gòu)弱點(diǎn)處)增多,而空化強(qiáng)度的減弱則是由于空化泡內(nèi)氣體含量大,使“緩沖”效應(yīng)增大的緣故。這可由式(3)及(4)的Pg,增大使Tmax及Pmax下降中得知。此外還應(yīng)指出,使用溶解度大的氣體也會(huì)降低空化閥值(通過在液體中提供較多的空化核)及空化強(qiáng)度。事實(shí)上,在氣體溶解度與空化強(qiáng)度之間存在著確定的相關(guān)性,氣體溶解度越高,進(jìn)入空化泡內(nèi)的氣體量也越多,其“緩沖”作用則越大,空化泡崩潰時(shí)釋放出的沖擊波強(qiáng)度也就越弱。3.2影響聲場參數(shù)的影響2.2.1超聲頻率的影響事實(shí)表明,隨著超聲頻率增高,空化過程會(huì)變得難以發(fā)生。許多學(xué)者曾對(duì)此做過研究與解釋。至少在定性上可以這樣理解:頻率增高,則聲波膨脹相時(shí)間變短,空化核來不及增長到可產(chǎn)生效應(yīng)的空化泡,即使空化泡形成、聲波的壓縮相時(shí)間亦短,空化泡可能來不及發(fā)生崩潰,因此,頻率增高將使空化效應(yīng)變?nèi)酢．?dāng)然,為了在較高超聲頻率下產(chǎn)生空化,可以提高聲強(qiáng),即超聲空化的閥值聲強(qiáng)將隨頻率而升高。從對(duì)除氣水及含空氣水有關(guān)數(shù)據(jù)的變化規(guī)律清楚地發(fā)現(xiàn),含氣水的空化閥值聲強(qiáng)低于除氣水的,而且在這種情況下,閥值聲強(qiáng)均隨頻率而增高。此外,高頻超聲在液體中的能量消耗快。因此,為獲得同樣的化學(xué)效應(yīng),對(duì)于高頻超聲則需付出較大的能量消耗。例如,為了在水中獲得空穴,使用400kHz超聲需要消耗的功率,要比使用10kHz超聲高出10倍,因此,用于超聲清洗及聲化學(xué)反應(yīng)的超聲頻率,一般都選在20～20kHz之間當(dāng)然,用于超聲清洗與聲化學(xué)反應(yīng)時(shí),為了獲得明顯的聲空化效應(yīng),脈沖寬度不可選取太窄。這是因?yàn)橐后w中空化現(xiàn)象的建立總是要比超聲開始作用時(shí)刻延遲一段時(shí)間。倘若脈沖太窄,它釋放超聲能量的時(shí)間勢(shì)必太短,以致不足以使空化泡形成。此外,超聲脈沖寬度與空化泡動(dòng)力學(xué)之間的關(guān)系較為復(fù)雜,在此未作一一討論、分析。2.2.2聲場作用的影響在對(duì)超聲波作用下空化泡的運(yùn)動(dòng)的研究中,對(duì)于充汽空化泡的崩潰時(shí)間τzhoroshev給出了更為精確的表達(dá)式為:τ≈0.915Rm(ρRh)1/2(1+ΡVΡm)(10)式中PV——為化化泡內(nèi)的汽壓;Rm——空化泡的半徑;ρ——液體的密度;P——流體的靜壓力;Pm——半徑為Rm的空化泡開始崩潰(即開始收縮走向崩潰)那一時(shí)刻的液體內(nèi)壓力。顯然,如果沒有聲場作用(即Pm=Ph),且泡內(nèi)蒸汽壓可忽略(PV=0),Zhoroshev的(10)式即退化成Rayleigh式(11):τ≈0.915Rm(ρRh)1/2(11)一般說來,提高超聲波強(qiáng)度會(huì)使聲化學(xué)效應(yīng)增強(qiáng)。如在某一聲強(qiáng)之下,使用的超聲頻率較高,不能產(chǎn)生空化泡(因聲波膨脹相周期短),那么只要提高聲強(qiáng),空化泡仍可形成。而且由于崩潰時(shí)間(τ)、崩潰時(shí)的最高溫度(Tmax)及最大壓力(Pmax)都與Pm(=Ph+Pa)有關(guān)[參見式(3)、(4)及(10)],空化泡的崩潰將變得更加激烈。但是,應(yīng)該指出,不能無限制地提高聲強(qiáng),因?yàn)樽畲蟮目栈莅霃?Rmax)與使用的聲壓幅值PA有如下關(guān)系:Rmax=43ωa(ΡA-Ρh)(2ρΡA)1/2[1+23Ρh)(ΡA-Ρh)]1/2(12)隨著PA增加,空花泡在聲波膨脹相內(nèi)可能增長到如此之大,以致它在聲波的壓縮相內(nèi)來不及發(fā)生崩潰。2.3瞬態(tài)空化的測(cè)定增加外壓力(Ph)將導(dǎo)致空化閥值增高和空化泡崩潰程度加劇,定性上可以這要解釋:如增大Ph值,使聲波負(fù)壓峰值小于Ph,則Ph-PA>0,瞬態(tài)空化則不能發(fā)生。為了在增大外壓之下仍使空化得以發(fā)生,必須要一增大聲強(qiáng)(聲強(qiáng)I