超声空化现象的研究进展

超声空化现象的研究进展

0声空化现象的概念研究在原油或液体系统中，当流动液体的压力降低比空气分离压低时，溶解在液体中的空气将离开，并在液体和固液体的交叉处产生大量气泡。这些气泡通常被称为空孔，空孔的形成、发展和崩溃过程被称为空间化。在液体中,空化气泡可因声波而产生、发展和破碎,因而产生强大的压力、高温、强噪声、有时还发光、发低频电磁波。空化气泡的脉动(沿半径方向的振动)理论非常复杂。声空化也是一个极其复杂的物理现象,它是超声技术应用中的一个十分重要的基础研究课题。近一个世纪来,人们对它的研究兴趣与热情经久不衰。1971年,Rayleigh发表了题为“液体中球形空腔崩溃时产生的压力”的著名研究论文,对空化现象的理论研究做出了重大突破,为半个多世纪以来的一切有关空化理论研究奠定了基础。近二三十年来,由于超声医学、声化学及非线性声学的迅速崛起,对声空化的实验与理论研究又形成了超声学基础研究中的一个新的热点。空化现象对物体的破坏作用是十分强大的,反过来,如果设法将这种有害作用变成有利作用,比如在工业清洗、切割和钻探作业的水射流中人为地引入空化,利用其强大的破坏作用和振动噪声冲击波来提高清洗、切割和钻探的效率,其效果也是显著的。故本文在对超声空化机理研究的基础上,对超声空化的影响因素作了研究、分析与总结,以对超声化技术的开发与应用提供依据。1u3000空化泡的形成当声波在媒质中传播时,它将引起媒质分子以其平衡位置为中心的振动。在声波压缩相时间内,分子间的平均距离减小;而在稀疏相内,分子间距将增大,对于强度为I的声波,它作用于媒质的声压为Pa=PAsinωt,PA为声压振幅,ω为声波的角频率,且I=P2A/2ρc,ρ、c分别为媒质的密度及声速。因此,在声波的负压相(即稀疏相)内,媒质受到的作用力为(Ph-Pa)Ph为流体静压力。倘若声强足够大,使液体受到的相应负压力亦足够强,那么分子间的平均距离就会增大到超过极限距离,从而破坏液体结构的完整性,导致出现空腔或空穴。一旦空穴形成,它将一直增长至负声压达到极大值(-Pa)。但是,在相继而来的声波正压相内这些空穴又将被压缩,其结果是一些空化泡将进入持续振荡,而另外一些空化泡将完全崩溃。然而为了在水中形成空化泡需要多高的声压呢?根据前人的推导,可以证明,对于较大的空泡,即Ρh＞＞2σRePh＞＞2σRe时,Blake阀值压力PB。有:ΡB=Ρh+8σ9(3σ2ΡhR3e)1/2(1)PB=Ph+8σ9(3σ2PhR3e)1/2(1)对于较小的空泡,即2σRe＞＞Ρh2σRe＞＞Ph时有;ΡB=Ρh+0.77σRe(2)PB=Ph+0.77σRe(2)此处Re——空化泡的半径;Ph——流体静压力;σ——液体的表面张力系数;2σRe2σRe——空化泡的表面张力。在一般情况下,空化阀值声压还要低的多,这是因为液体中总是存在一些张力强度薄弱点,其原因则是液体中含有气核(溶解气体及悬浮的小气泡),容器表面及固体悬浮颗粒裂缝中陷附的气(或汽)核等。图1表示出陷附在悬浮固体颗粒表面裂隙中气核的情况。在声波负压相作用下,液体中压力减小,气核表面向外凸;在声波正压相作用下,液体内压力增大,则气核表面向内凹;当负压足够大时,气核可能会脱离固体表面而形成独立的微气泡。在空化泡扩大过程中,溶于液体中的气体(如果存在的话)和液体蒸汽会逸入空腔,因此液体的空化泡可能存在有如下几种类型;空的空腔(对应所谓真空化);充气空腔;充汽空腔;充气与汽的空腔。正是这些不同类型的空化泡在声场作用下表现出的动力学行为,才造成剥蚀等现象及构成了声化学反应的动力或原因。为了很好地开发及应用超声空化,很有必要进一步对超声空化的各种影响因素进行深入的研究分析。2物理因素的影响我们已知道,研究超声空化现象时要涉及到诸如液体、声场及环境等多方面条件因素,因此描述这些条件的许多有关物理参数都会影响到空化的过程,如成核、空化泡的振动、生长及崩溃。在此我们来分析与讨论这些参数是如何影响空化过程的。2.1一些液体物理参数的影响2.1.1分子间引力为在液体中形成空腔或充汽空腔,要求在声波膨胀相内产生的负声压能克服液体分子间的引力,因此在粘滞性大的液体中空化较难发生。有关的文献数据在表1中给出。由表中数据可见,η对PA值的影响虽然不大,但确实可以看出。如海狸油的粘滞系数是玉米油的10倍,空化阀值声压增大了近30%。2.1.2表面张力系数i通过对瞬态空化理论的研究,可以得到以下两个公式:(1)空化泡内压力Ρmax=Ρg[Ρm(r-1)Ρg]rr-1(3)Pmax=Pg[Pm(r−1)Pg]rr−1(3)Pmax——空化泡内最大压力(瞬态空化泡崩溃时泡内最高压力);Pg——起始半径时泡内的压力;Pm——空化泡在崩溃过程中受到的总压力,可以近似看成是不变的常量Pm;γ——气体的比热比γ值。如空化泡收缩到最小体系Vmin时发生崩溃,则在崩溃的瞬间把压力Pmax释放到液体中,正是这个强大的压力引起了一系列常见的超声效应,诸如腐蚀、分散、高分子解聚及剥蚀等。(2)温度对泡内压力的影响Τmax=Τmin[Ρm(r-1)Ρg](4)Tmax=Tmin[Pm(r−1)Pg](4)Tmax——瞬态空化泡崩溃时泡内最高温度;Tmin——环境温度;Pg——起始半径时泡内的压力。在清洗及声化学的应用中Tmin取环境温度;泡内压力Pg取液体蒸汽压PV,这是因为一般认为,瞬态空化泡在增长过程不伴随发生气体向泡内的扩散。与粘滞系数(η)相似,液体的表面张力系数(δ)增大(意味着空化泡收缩力增大)要求空化阀值增高,但是一旦液体中形成空化泡,其崩溃时伴随产生的Tmax与Pmax值也会增高,这是因为,空化泡崩溃开始(即指收缩开始)时的泡内的总压力(Pm)增大[参见式(3)及(4)]。2.1.3pmasp4m4液体的蒸汽压高,其空化效应则减弱,这可从式(4)看出(只要把其中的Pg看成是PV)。Pg值增大会导致Tmax值下降。初看式(3),似乎Pg对Pmax的影响不明显,为便于计算,我们近似假设比热γ保持常数(实际上γ随蒸汽进入空化泡而下降),并等于1.33,那么由式(3)立即会得到Pmax～P4m4mP-3g−3g。由此则很明显,随着Pg增加Pmax将迅速下降,即空化效应变得缓和。2.1.4超声波传播一般来说,温度升高,空化阀值下降。其原因是随着温度升高、蒸汽压(PV)增高,表面张力系数(δ)及粘滞系数(η)则下降,为进一步了解这些参数(σ、η、PV)如何影响空化阀值,我们来分析水中,(流体静压力Ph=1.1013×105Pa)一个半径为Re的空化泡的情况。水中一个气泡同时受到二种方向相反的力的作用,一种是自液体对它的压力,此压力由流体静压力(Ph)和气泡的表面张力(2σRe)二部份组成;另一种来是气泡内的膨胀力,它包括气体压力(Pg)与蒸汽压力(PV),如气泡在液体中处在平衡态,则必需满足式(5)。ΡV+Ρg=Ρh+2σRe(5)显然,如膨胀力(PV+Pg)大于外部压力(Ρh+2σRe),气泡将大;反之则缩小,即气泡增大的条件是:ΡV＞Ρh+2σRe-Ρg(6)如果我们假设,表面张力(2σRe)及泡内气压(Pg)甚小,可略而不计,那么只需PV>Ph,气泡即可增长。对于水而言,100℃时的蒸汽压PV为1.1013×105Pa,故水在100℃时沸腾。25℃时水的蒸汽压为2.30×103Pa;因此如果环境压力减小到等于或小2.30×103Pa,那么在25℃下的水亦可沸腾。现在我们来分析水中传播超声波的影响。此时水中的总压力为Ph+Pa。Pa=PA=sinωt时,即Pa随时间(t)而变化,当sinωt>0时,Pa为正,Pa在0与PA之间变化,即水中压力在Ph与Ph+PA间变化;当sinωt<0时,水中压力在Ph及Ph-PA间变化。因此,在有超声波传播的情况下,式(6)变成:ΡV＞(Ρh-Ρa)+2σRe-Ρg(7)如果表面张力(2σRe)及气体压力(Pg)贡献可以忽略,则上式变成:ΡV＞Ρh-Ρa(8)这表明,当蒸气压(PV)大于(Ph-Pa时,液体即会沸腾,已知在100℃及25℃时的PV分别为1.1013×103Pa及2.30×105Pa,则为满足式(8)要求Pa近似为0及1.1013×105Pa。这表明,在较低温的水中产生气泡需要的声强值较高。如果,表面张力(2σRe)不可忽略,则式(8)将变成:(ΡV-2σRe)=Ρ1h＞Ρh-Ρa(9)因此,如果我们使用表面张力较小的液体,P1h值将增大,在满足式(9)的条件下,Pa可以减小。水的表面张力温度而变化,如图2所示,即温度增高导致表面张下下降;PV值增高,即P1h值增高,则为产生空化泡所需的阀值声压Pa值会减小[参见式(9)]此外,温度升高会使液体粘滞系数(η)下降,从而空化阀值亦会下降,综上所述,温度升高会使空化泡的产生变得容易。上述都是从产生空化泡的难易程度而言的,从另一方面看,蒸汽压上升(由于温度的升高)又会导致空化强度或空化效应下降,这可由式(4)及(3)看出,由于Pg(此时应是PV)升高,Tmax及Pmax都要下降,而且由于温度升高,使所需Pa下降,遂使Pm(Ph+Pa)值下降,这进一步使Tmax=Pmax值下降。因此,为获得尽可能大的声化学效益或声空化效应,应该在较低的温条件下工作,而且应选用尽可能低蒸汽压的液体。2.1.5气体导热系数由式(3),(4)知,气体的比热γ值越大,由空化效应获得的声化学及声空化的效益越大。因此,使用单原子气体(He、Ar、Ne)要比使用双原子气体(N2,空气及O2等)为好。但应该指出,只考虑气体的比热比r值影响还不够,还需考虑气体导热性对空化效应的影响,如果气体的导热系数大,那么在空化泡崩溃过程中所积累的热量将更多地传向周围液体,从而使Tmax值降低。不过,实验上尚未观测到导热系数与声化学效应之间严格的相关关系,这可由表2中所列的数据看到。液体中气体含量的增加将导致超声空化阀值声压下降及空化泡崩溃时形成的冲击波强度减弱。阀值下降是由于液体中空化核(亦即液体中的结构弱点处)增多,而空化强度的减弱则是由于空化泡内气体含量大,使“缓冲”效应增大的缘故。这可由式(3)及(4)的Pg,增大使Tmax及Pmax下降中得知。此外还应指出,使用溶解度大的气体也会降低空化阀值(通过在液体中提供较多的空化核)及空化强度。事实上,在气体溶解度与空化强度之间存在着确定的相关性,气体溶解度越高,进入空化泡内的气体量也越多,其“缓冲”作用则越大,空化泡崩溃时释放出的冲击波强度也就越弱。3.2影响声场参数的影响2.2.1超声频率的影响事实表明,随着超声频率增高,空化过程会变得难以发生。许多学者曾对此做过研究与解释。至少在定性上可以这样理解:频率增高,则声波膨胀相时间变短,空化核来不及增长到可产生效应的空化泡,即使空化泡形成、声波的压缩相时间亦短,空化泡可能来不及发生崩溃,因此,频率增高将使空化效应变弱。当然,为了在较高超声频率下产生空化,可以提高声强,即超声空化的阀值声强将随频率而升高。从对除气水及含空气水有关数据的变化规律清楚地发现,含气水的空化阀值声强低于除气水的,而且在这种情况下,阀值声强均随频率而增高。此外,高频超声在液体中的能量消耗快。因此,为获得同样的化学效应,对于高频超声则需付出较大的能量消耗。例如,为了在水中获得空穴,使用400kHz超声需要消耗的功率,要比使用10kHz超声高出10倍,因此,用于超声清洗及声化学反应的超声频率,一般都选在20～20kHz之间当然,用于超声清洗与声化学反应时,为了获得明显的声空化效应,脉冲宽度不可选取太窄。这是因为液体中空化现象的建立总是要比超声开始作用时刻延迟一段时间。倘若脉冲太窄,它释放超声能量的时间势必太短,以致不足以使空化泡形成。此外,超声脉冲宽度与空化泡动力学之间的关系较为复杂,在此未作一一讨论、分析。2.2.2声场作用的影响在对超声波作用下空化泡的运动的研究中,对于充汽空化泡的崩溃时间τzhoroshev给出了更为精确的表达式为:τ≈0.915Rm(ρRh)1/2(1+ΡVΡm)(10)式中PV——为化化泡内的汽压;Rm——空化泡的半径;ρ——液体的密度;P——流体的静压力;Pm——半径为Rm的空化泡开始崩溃(即开始收缩走向崩溃)那一时刻的液体内压力。显然,如果没有声场作用(即Pm=Ph),且泡内蒸汽压可忽略(PV=0),Zhoroshev的(10)式即退化成Rayleigh式(11):τ≈0.915Rm(ρRh)1/2(11)一般说来,提高超声波强度会使声化学效应增强。如在某一声强之下,使用的超声频率较高,不能产生空化泡(因声波膨胀相周期短),那么只要提高声强,空化泡仍可形成。而且由于崩溃时间(τ)、崩溃时的最高温度(Tmax)及最大压力(Pmax)都与Pm(=Ph+Pa)有关[参见式(3)、(4)及(10)],空化泡的崩溃将变得更加激烈。但是,应该指出,不能无限制地提高声强,因为最大的空化泡半径(Rmax)与使用的声压幅值PA有如下关系:Rmax=43ωa(ΡA-Ρh)(2ρΡA)1/2[1+23Ρh)(ΡA-Ρh)]1/2(12)随着PA增加,空花泡在声波膨胀相内可能增长到如此之大,以致它在声波的压缩相内来不及发生崩溃。2.3瞬态空化的测定增加外压力(Ph)将导致空化阀值增高和空化泡崩溃程度加剧,定性上可以这要解释:如增大Ph值,使声波负压峰值小于Ph,则Ph-PA>0,瞬态空化则不能发生。为了在增大外压之下仍使空化得以发生,必须要一增大声强(声强I