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空化作用

发布时间:2021-09-09   点击次数:250次

空化作用是由于液体中形成空穴而局部产生高压、高温、放电、发光或激震波等的作用。空化作用可由超声波获得,因为超声波频率高、能量大,在液体中传播时,可以产生大量的小空腔。这些空腔存在时间极短,当它们骤然收缩时,在液体中会产生高达数千大气压的巨大压强,从而产生大量的热能,形成局部的强压力和高温度,足以引起液体的化学变化。

空化的三个阶段

空化是液体特有的现象,发生在液体内部的低压区、尤其是在液体与固体的交界面上,传统意义上的空化是液体与其蒸气的相变过程,包括产生、发展、消失三个阶段。产生阶段称为“空化初生",伴有噪声辐射的大幅度上升;消失阶段称为“空化溃灭",释放出巨大的压能和热能,可能造成对材料的破坏,也可能被利用来为多种工业工程服务;在初生与溃灭之间的是空化发展阶段,称为“空化发展",它主要是干扰空化物体的运动、使力发生了 变化,譬如推力下降、构件振动等,在某些情况下也可以减阻、甚至将阻力系数降低一个数量级。


空化气泡的液体射流接近固体边界,影响基底并引起侵蚀
空化气泡的液体射流接近固体边界,影响基底并引起侵蚀


超声波空化作用

超声波空化作用是指液体中的微小气泡核在超声波作用下产生振动,当声压达到一定值时,气泡将迅速膨胀,然后突然闭合,在气泡闭合时产生冲击波,这种膨胀、闭合、振荡等一系列动力学过程。所有与液体相关的超声处理技术都是利用超声空化作为动力。

由于超声空化作用过程非常复杂,涉及声学、化学、 光学、流体力学等多门学科,而且在实际中不可能把空化效应和机械效应、光电效应等分离开来。由于空化作用引发的物 理、化学、生物等效应又具有相当特异的性质,而这些性质具有重要的理论价值和巨大应用潜力。比如,空化泡的溃灭会在空泡周围极小的空间内产生微射流,并对外辐射空化噪声。空泡溃灭时产生的高温 高压可用于清洗、切割、破碎物件,改善材料表面性能、过程强化等方面,超声波空化作用已成为当前研究的热点。

空化作用的产生

当以高强度超声波处理液体时,传播到液体介质中的声波会产生交替的高压(压缩)和低压(稀疏)循环,其速率取决于频率。在低压循环期间,高强度的超声波会在液体中产生小的真空气泡或空隙。当气泡达到不能再吸收能量的 体积时, 它们在高压循环中剧烈地坍塌,这种现象称为空化。在爆炸期间,局部将达到非常高的温度(约5,000K)和压力(约2,000atm)。空化气泡的崩溃也导致液体射流高达280m/s的速度,所产生的剪切力机械地破坏细胞膜并改善材料转移。根据所采用的超声波参数,超声波对细胞有破坏性或建设性影响,取决于所使用的超声参数。


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