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双泡耦合声空化动力学过程模拟

许龙 汪尧

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双泡耦合声空化动力学过程模拟

许龙, 汪尧

Simulation of dynamic process of double bubble coupled acoustic cavitation

Xu Long, Wang Yao
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  • 为了对双泡耦合的声空化过程进行模拟, 本文从流体动力学控制方程和流体体积分数模型出发, 在Fluent软件中构建双泡耦合超声空化三维有限元仿真模型, 对超声波驱动下流体中双泡耦合声空化动力学过程进行数值模拟, 并通过对空化气泡周围声场的变化进行分析研究双泡耦合声空化的非线性动力学特性. 结果显示: 在超声波驱动下, 球形气泡先缓慢扩张, 扩张到最大半径后迅速收缩直至溃灭; 耦合双气泡间存在相互作用力, 使得空化气泡的扩张受到抑制、气泡收缩时间增长; 空化气泡在收缩阶段的能量转换能力增强, 相比单气泡声空化, 耦合双气泡溃灭时气泡内部的压强更大. 本文分析结果将为超声空化泡群的动力学过程模拟提供参考.
    In order to simulate the acoustic cavitation process of double-bubble coupling, based on the fluid dynamics governing equation and fluid volume fraction model, this paper proposes a three-dimensional finite element simulation model of double-bubble coupled ultrasonic cavitation in Fluent software, and numerically simulates the dynamic process of double-bubble coupled acoustic cavitation in fluid driven by ultrasonic wave. The nonlinear dynamic characteristics of coupled acoustic cavitation with double bubbles are studied by evaluating the variation of the acoustic field around the cavitation bubble. The results indicate that under the ultrasonic drive, the spherical bubbles gradually widen first to the maximal radius, then shrink swiftly, and finally collapse. There is an interaction force between the paired double bubbles, which inhibits the expansion of cavitation bubbles and increases the bubble contraction time. The ability of the cavitation bubble to converse the energy is strengthened in the contraction stage. Compared with the acoustic cavitation of the single bubble, the pressure inside the bubble is expanded when the coupled double bubble collapses. The analysis results in this paper will provide the reference for the dynamic process simulation of the ultrasonic cavitation bubbles.
      通信作者: 许龙, xulong@cjlu.edu.cn
    • 基金项目: 国家自然科学基金(批准号: 12074354)资助的课题.
      Corresponding author: Xu Long, xulong@cjlu.edu.cn
    • Funds: Project supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 12074354).
    [1]

    徐柯, 许龙 2021 应用声学 40 343Google Scholar

    Xu K, Xu L 2021 Appl. Acoust. 40 343Google Scholar

    [2]

    莫润阳, 林书玉, 王成会 2009 应用声学 8 389Google Scholar

    Mo R Y, Lin S Y, Wang C H 2009 Appl. Acoust. 8 389Google Scholar

    [3]

    王成会, 林书玉 2011 声学学报 36 325

    Wang C H, Lin S Y 2011 Acta Acust. 36 325

    [4]

    胡静, 林书玉, 王成会, 李锦 2013 物理学报 62 134303Google Scholar

    Hu J, Lin S Y, Wang C H, Li J 2013 Acta Phys. Sin. 62 134303Google Scholar

    [5]

    王成会, 莫润阳, 胡静, 陈时 2015 物理学报 64 234301Google Scholar

    Wang C H, Mo R Y, Hu J, Chen S 2015 Acta Phys. Sin. 64 234301Google Scholar

    [6]

    王成会, 莫润阳, 胡静, 张明铎 2017 中国科学: 物理学 力学 天文学 47 59

    Wang C H, Mo R Y, Hu J, Zhang M D 2017 Sci. China, Ser. A Math. Phys. Astron. Technol. Sci. 47 59

    [7]

    莫润阳, 王成会, 胡静, 陈时 2020 陕西师范大学学报 (自然科学版) 48 39

    Mo R Y, Wang C H, Hu J, Chen S 2020 J. Shaanxi Norm. Univ., (Nat. Sci. Ed.) 48 39

    [8]

    罗经, 李健, 董光能 2007 摩擦学学报 6 562Google Scholar

    Luo J, Li J, Dong G N 2007 Tribology 6 562Google Scholar

    [9]

    吴晓霞, 张华余, 马空军 2012 应用声学 31 416Google Scholar

    Wu X X, Zhang H Y, Ma K J 2012 Acta Acust. 31 416Google Scholar

    [10]

    An Y, Lu T, Yang B 2005 Phys. Rev. E 71 026310Google Scholar

    [11]

    Liang J F, Chen W Z, Shao W H, Qi S B 2012 Chin. Phys. Lett. 29 074701Google Scholar

    [12]

    Liang J F, Wang X, Yang J, Gong L X 2017 Ultrasonics 75 58Google Scholar

    [13]

    Liang J F, Wu X Y, Qiao Y P 2021 Ultrason. Sonochem. 80 105837Google Scholar

    [14]

    马艳, 林书玉, 徐洁 2018 物理学报 67 034301Google Scholar

    Ma Y, Lin S Y, Xu J 2018 Acta Phys. Sin. 67 034301Google Scholar

    [15]

    Wu W H, Eskin D G, Priyadarshi A, Subroto T, Tzanakis I, Zhai W 2021 Ultrason. Sonochem. 73 105501Google Scholar

    [16]

    陈伟中, 姜李安 2011 声学学报 36 197

    Chen W Z, Jiang L A 2011 Acta Acust. 36 197

    [17]

    王福军 2004 计算流体动力学分析 (北京: 清华大学出版社) 第15页

    Wang F J 2004 Computational Fluid Dynamics Analysis (Beijing: Tsinghua University Press) p15 (in Chinese)

    [18]

    李疆, 陈皓生 2008 摩擦学学报 28 311Google Scholar

    Li J, Chen H S 2008 Tribology 28 311Google Scholar

    [19]

    刘兰, 张凌新 2015 机电工程 32 447

    Liu L, Zhang L X 2015 J. Mech. Electr. Eng. 32 447

    [20]

    黄诗彬, 郭钟宁, 黄志刚, 印四华 2016 机床与液压 44 14Google Scholar

    Huang S B, Guo Z N, Huang Z G, YIN S H 2016 Machine Tool Hydraulics 44 14Google Scholar

    [21]

    杨日福, 洪旭烨 2018 应用声学 37 455Google Scholar

    Yang R F, Hong X Y 2018 Appl. Acoust. 37 455Google Scholar

    [22]

    王舰航, 陈韬厚, 包福兵, 王月兵 2020 应用声学 39 329Google Scholar

    Wang J H, Chen T H, Bao F B, Wang Y B 2020 Appl. Acoust. 39 329Google Scholar

    [23]

    江帆, 黄鹏 2008 FLUENT高级应用与实例分析(北京: 清华大学出版社) 第140页

    Jiang F, Huang P 2008 Fluent Advanced Application and Case Analysis (Beijing: Tsinghua University Press) p140 (in Chinese)

    [24]

    Prosperetti A 1977 Q. Appl. Math 34 339Google Scholar

    [25]

    谢崇国, 安宇 2003 物理学报 52 102Google Scholar

    Xie C G, An Y 2003 Acta Phys. Sin. 52 102Google Scholar

    [26]

    Voronin D 2005 J. Appl. Mech. Tech. Phys. 46 677Google Scholar

    [27]

    Wang W J, Chen W Z, Wei R J 2001 Youth Academic Conference of Chinese Acoustic Society Shanghai, China, June 30th, 2001 p60

    [28]

    马艳, 申学鹏, 徐洁 2019 云南大学学报 (自然科学版) 41 718

    Ma Y, Shen X P, Xu J 2019 J. Yunnan Univ., (Nat. Sci. Ed) 41 718

  • 图 1  计算模型

    Fig. 1.  Model for the calculation.

    图 2  不同时刻气泡的形态变化情况 (a) 0 µs; (b) 4 µs; (c) 8 µs; (d) 10 µs; (e) 12 µs; (f) 14 µs; (g) 16 µs; (h) 18.80 µs; (i) 20 µs; (j) 22 µs; (k) 22.2 µs; (l) 22.4 µs

    Fig. 2.  The shape change of the bubble at different time: (a) 0 µs; (b) 4 µs; (c) 8 µs; (d) 10 µs; (e) 12 µs; (f) 14 µs; (g) 16 µs; (h) 18.80 µs; (i) 20 µs; (j) 22 µs; (k) 22.2 µs; (l) 22.4 µs.

    图 3  监测点位置示意图

    Fig. 3.  Schematic diagram of the monitoring points.

    图 4  监测点压强变化 (a) 声波激励方向; (b) 垂直声波激励方向

    Fig. 4.  Pressure change of monitoring points: (a) Acoustic excitation direction; (b) vertical acoustic excitation direction.

    图 5  垂直声波激励方向监测点压强变化

    Fig. 5.  Pressure changes at monitoring points in the direction of vertical acoustic excitation.

    图 6  塌缩阶段监测点压强变化 (a) 单气泡; (b) 耦合气泡

    Fig. 6.  Monitor pressure changes at the point during collapse: (a) Single bubble; (b) coupled bubble.

    表 1  Fluent参数设置

    Table 1.  Parameter setting of Fluent.

    SetupTasks
    SolverPressure-basedAbsoluteTransient
    MethodsPISOFirst order implicitSecond order upwind
    ModelMultiphase-onViscous-realizable k-epsilonStandard wall function
    MaterialsFluid water-liquidFluid water-vapor
    Density1000 $ \rm{k}\rm{g}/{\rm{m}}^{3} $0.02558$ \rm{k}\rm{g}/{\rm{m}}^{3} $
    Viscosity$0.001~{\rm kg/(m \cdot s)}$$1.26\times 1{0}^{-6}~\rm{k}\rm{g}/(\rm{m}{\cdot} \rm{s})$
    下载: 导出CSV

    表 2  空化泡两侧位置压强变化起始时刻差

    Table 2.  Initial time difference between pressure changes on both sides of cavitation bubble.

    距气泡中心距离/µm压强变化起始时间差/µs
    单泡双泡耦合
    100.020.13
    200.040.41
    300.040.53
    400.061.02
    下载: 导出CSV

    表 3  不同空化气泡最大半径和气泡内部最大压强($ {P}_{\rm{a}} $ = 1.29 atm, f = 25 kHz, ${R}_{10}=3.09~\text{μm},~ {R}_{20}=3.09~\text{μm}$)

    Table 3.  The maximum of radius and inside pressure of two kinds of bubbles ($ {P}_{\rm{a}} $= 1.29 atm, f = 25 kHz, ${R}_{10}=3.09~ \text{μm},\; {R}_{20}=3.09 ~\text{μm}$).

    气泡类型$ {R}_{\rm{m}\rm{a}\rm{x}} $/出现时刻
    t/(μm·μs–1)
    $ {p}_{\rm{m}\rm{a}\rm{x}} $/出现时刻
    t/(MPa·μs–1)
    双泡耦合26.64/18.8081.81/22.55
    单泡30.75/19.2077.21/22.01
    下载: 导出CSV
  • [1]

    徐柯, 许龙 2021 应用声学 40 343Google Scholar

    Xu K, Xu L 2021 Appl. Acoust. 40 343Google Scholar

    [2]

    莫润阳, 林书玉, 王成会 2009 应用声学 8 389Google Scholar

    Mo R Y, Lin S Y, Wang C H 2009 Appl. Acoust. 8 389Google Scholar

    [3]

    王成会, 林书玉 2011 声学学报 36 325

    Wang C H, Lin S Y 2011 Acta Acust. 36 325

    [4]

    胡静, 林书玉, 王成会, 李锦 2013 物理学报 62 134303Google Scholar

    Hu J, Lin S Y, Wang C H, Li J 2013 Acta Phys. Sin. 62 134303Google Scholar

    [5]

    王成会, 莫润阳, 胡静, 陈时 2015 物理学报 64 234301Google Scholar

    Wang C H, Mo R Y, Hu J, Chen S 2015 Acta Phys. Sin. 64 234301Google Scholar

    [6]

    王成会, 莫润阳, 胡静, 张明铎 2017 中国科学: 物理学 力学 天文学 47 59

    Wang C H, Mo R Y, Hu J, Zhang M D 2017 Sci. China, Ser. A Math. Phys. Astron. Technol. Sci. 47 59

    [7]

    莫润阳, 王成会, 胡静, 陈时 2020 陕西师范大学学报 (自然科学版) 48 39

    Mo R Y, Wang C H, Hu J, Chen S 2020 J. Shaanxi Norm. Univ., (Nat. Sci. Ed.) 48 39

    [8]

    罗经, 李健, 董光能 2007 摩擦学学报 6 562Google Scholar

    Luo J, Li J, Dong G N 2007 Tribology 6 562Google Scholar

    [9]

    吴晓霞, 张华余, 马空军 2012 应用声学 31 416Google Scholar

    Wu X X, Zhang H Y, Ma K J 2012 Acta Acust. 31 416Google Scholar

    [10]

    An Y, Lu T, Yang B 2005 Phys. Rev. E 71 026310Google Scholar

    [11]

    Liang J F, Chen W Z, Shao W H, Qi S B 2012 Chin. Phys. Lett. 29 074701Google Scholar

    [12]

    Liang J F, Wang X, Yang J, Gong L X 2017 Ultrasonics 75 58Google Scholar

    [13]

    Liang J F, Wu X Y, Qiao Y P 2021 Ultrason. Sonochem. 80 105837Google Scholar

    [14]

    马艳, 林书玉, 徐洁 2018 物理学报 67 034301Google Scholar

    Ma Y, Lin S Y, Xu J 2018 Acta Phys. Sin. 67 034301Google Scholar

    [15]

    Wu W H, Eskin D G, Priyadarshi A, Subroto T, Tzanakis I, Zhai W 2021 Ultrason. Sonochem. 73 105501Google Scholar

    [16]

    陈伟中, 姜李安 2011 声学学报 36 197

    Chen W Z, Jiang L A 2011 Acta Acust. 36 197

    [17]

    王福军 2004 计算流体动力学分析 (北京: 清华大学出版社) 第15页

    Wang F J 2004 Computational Fluid Dynamics Analysis (Beijing: Tsinghua University Press) p15 (in Chinese)

    [18]

    李疆, 陈皓生 2008 摩擦学学报 28 311Google Scholar

    Li J, Chen H S 2008 Tribology 28 311Google Scholar

    [19]

    刘兰, 张凌新 2015 机电工程 32 447

    Liu L, Zhang L X 2015 J. Mech. Electr. Eng. 32 447

    [20]

    黄诗彬, 郭钟宁, 黄志刚, 印四华 2016 机床与液压 44 14Google Scholar

    Huang S B, Guo Z N, Huang Z G, YIN S H 2016 Machine Tool Hydraulics 44 14Google Scholar

    [21]

    杨日福, 洪旭烨 2018 应用声学 37 455Google Scholar

    Yang R F, Hong X Y 2018 Appl. Acoust. 37 455Google Scholar

    [22]

    王舰航, 陈韬厚, 包福兵, 王月兵 2020 应用声学 39 329Google Scholar

    Wang J H, Chen T H, Bao F B, Wang Y B 2020 Appl. Acoust. 39 329Google Scholar

    [23]

    江帆, 黄鹏 2008 FLUENT高级应用与实例分析(北京: 清华大学出版社) 第140页

    Jiang F, Huang P 2008 Fluent Advanced Application and Case Analysis (Beijing: Tsinghua University Press) p140 (in Chinese)

    [24]

    Prosperetti A 1977 Q. Appl. Math 34 339Google Scholar

    [25]

    谢崇国, 安宇 2003 物理学报 52 102Google Scholar

    Xie C G, An Y 2003 Acta Phys. Sin. 52 102Google Scholar

    [26]

    Voronin D 2005 J. Appl. Mech. Tech. Phys. 46 677Google Scholar

    [27]

    Wang W J, Chen W Z, Wei R J 2001 Youth Academic Conference of Chinese Acoustic Society Shanghai, China, June 30th, 2001 p60

    [28]

    马艳, 申学鹏, 徐洁 2019 云南大学学报 (自然科学版) 41 718

    Ma Y, Shen X P, Xu J 2019 J. Yunnan Univ., (Nat. Sci. Ed) 41 718

  • [1] 丁怡洋, 邹帅, 孙华, 苏晓东. 金属网格-透明导电氧化物复合型透明电极的瑞利分析和仿真. 物理学报, 2024, 73(14): 146801. doi: 10.7498/aps.73.20240230
    [2] 雷照康, 武耀蓉, 黄晨阳, 莫润阳, 沈壮志, 王成会, 郭建中, 林书玉. 驻波场中环状空化泡聚集结构的稳定性分析. 物理学报, 2024, 73(8): 084301. doi: 10.7498/aps.73.20231956
    [3] 左馨怡, 雷照康, 武耀蓉, 王成会. 黏弹性介质包裹的液体腔内球状泡群耦合振动模型. 物理学报, 2024, 73(15): 154301. doi: 10.7498/aps.73.20240606
    [4] 申潇卓, 吴鹏飞, 林伟军. 脉动气泡在黏性介质中的声发射. 物理学报, 2024, 73(17): 174701. doi: 10.7498/aps.73.20240826
    [5] 林基艳, 孙姣夏, 林书玉. 大尺寸三维超声振动系统的智能优化设计. 物理学报, 2024, 73(8): 084304. doi: 10.7498/aps.73.20240006
    [6] 黄晨阳, 李凡, 田华, 胡静, 陈时, 王成会, 郭建中, 莫润阳. 空化场中大气泡对空化泡振动的抑制效应分析. 物理学报, 2023, 72(6): 064302. doi: 10.7498/aps.72.20221955
    [7] 曾胜洋, 贾璐, 张书增, 李雄兵, 王猛. 非线性表面波的二阶微扰解及特性分析. 物理学报, 2022, 71(16): 164301. doi: 10.7498/aps.71.20212445
    [8] 徐珂, 许龙, 周光平. 考虑水蒸气蒸发和冷凝的球状泡群中泡的动力学特性. 物理学报, 2021, 70(19): 194301. doi: 10.7498/aps.70.20210045
    [9] 王存海, 郑树, 张欣欣. 非规则形状介质内辐射-导热耦合传热的间断有限元求解. 物理学报, 2020, 69(3): 034401. doi: 10.7498/aps.69.20191185
    [10] 莫润阳, 王成会, 胡静, 陈时. 双气泡振子系统的非线性声响应特性分析. 物理学报, 2019, 68(14): 144302. doi: 10.7498/aps.68.20190408
    [11] 赵甜甜, 林书玉, 段祎林. 类声子晶体结构对超声塑料焊接工具横向振动的抑制. 物理学报, 2018, 67(22): 224207. doi: 10.7498/aps.67.20181150
    [12] 刘珍黎, 宋亮华, 白亮, 许凯亮, 他得安. 长骨中振动声激发超声导波的方法. 物理学报, 2017, 66(15): 154303. doi: 10.7498/aps.66.154303
    [13] 王成会, 莫润阳, 胡静. 低频超声空化场中柱状泡群内气泡的声响应. 物理学报, 2016, 65(14): 144301. doi: 10.7498/aps.65.144301
    [14] 王成会, 莫润阳, 胡静, 陈时. 球状泡群内气泡的耦合振动. 物理学报, 2015, 64(23): 234301. doi: 10.7498/aps.64.234301
    [15] 胡静, 林书玉, 王成会, 李锦. 超声波作用下泡群的共振声响应. 物理学报, 2013, 62(13): 134303. doi: 10.7498/aps.62.134303
    [16] 王勇, 林书玉, 莫润阳, 张小丽. 含气泡液体中气泡振动的研究. 物理学报, 2013, 62(13): 134304. doi: 10.7498/aps.62.134304
    [17] 徐波, 王树林, 李生娟, 李来强. 超声强化合成MgFe2O4纳米颗粒及其机理研究. 物理学报, 2012, 61(3): 030703. doi: 10.7498/aps.61.030703
    [18] 卢义刚, 吴雄慧. 双泡超声空化计算分析. 物理学报, 2011, 60(4): 046202. doi: 10.7498/aps.60.046202
    [19] 冯永平, 崔俊芝, 邓明香. 周期孔洞区域中热力耦合问题的双尺度有限元计算. 物理学报, 2009, 58(13): 327-S337. doi: 10.7498/aps.58.327
    [20] 陈 谦, 邹欣晔, 程建春. 超声波声孔效应中气泡动力学的研究. 物理学报, 2006, 55(12): 6476-6481. doi: 10.7498/aps.55.6476
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-08-04
  • 修回日期:  2022-10-03
  • 上网日期:  2022-10-19
  • 刊出日期:  2023-01-20

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