题目：声空化优化的数值模拟研究

随着科学技术的发展，超声的应用越来越广泛，除了传统的超声清洗、测量外，在机械、医疗、化工、国防等领域也得到很快发展，并且出现了不少新成果。特别近年来超声在医疗方面的应用受到了很大的重视。如HIFU 技术，超声治疗肿瘤，超声治疗脑血管疾病等等备受医学界的重视。而超声空化是很多超声应用的重要机理。但是，由于受多种因素的影响，超声应用的这个重要机理-超声空化仍然是个未解的难题。本文就如何优化超声空化效应，即对超声空化效应的程度-空化强度如何控制进行了研究，以揭示超声空化的应用机理。本文首先综述了前人对超声空化的研究，以及当前的一些研究新进展，并且总结了声空化在各个方面的应用。接着本文还介绍了关于声空化的基本知识和理论，总结了前人的研究声空化强度的测量的方法。然后，本文应用数值模拟计算的方法研究了声空化优化的机理。首先，根据气泡动力学理论，推导出考虑了粘滞损耗、表面张力和声辐射在不可压缩流体中的Rayleigh方程。而后应用龙格-库塔方法对它进行了求解，特别就不同参数的空化泡进行求解。结果表明:空化泡初始半径的大小、声频率、声强、声场等因素在空化泡生长和溃灭过程中起决定性作用。与声波共振气泡相比，较大的空化泡在声波的作用下将较难崩溃，是稳态空化泡；相反，较小的空化泡在声波的作用下很容易崩溃，是瞬态空化泡；对于单频，声频率越高，声空化越不明显越困难；当声强大于空化阈值时才会出现瞬态空化，而当声强小于空化阈值时，其它参数无论怎样变化气泡都不崩溃，而且在大于空化阈值是还存在一个声强范围，在此范围内声强越大，声空化越剧烈，在此范围外，随着声强增大，声空化反而减弱；对于声场而言，混响声场需要的阈值声压比行波的要小，因而比较容易产生空化，复频声场产生的声空化要比单频产生的效果好，有实验证明当频率合适时，复频声场产生的空化额要比两个单频声场单独产生的空化额的和还要多。而且以上结果均有实验证明。同时，环境压力、液体黏度、表面张力、气泡内压、泡内气体种类、温度等对声空化也有不同程度的影响。随着环境压力的增大，气泡的振幅逐渐减小，空化减弱，然而在一定范围内振幅变化不大；随着液体黏度的增大，气泡的振幅逐渐减小，空化阈值增大，强度减弱，而一旦崩溃，空化却较剧烈，因而对空化影响较小；随着液体表面张力的增大，气泡在声波膨胀相内的振幅逐渐减小，但是在声波压缩相内由于作用于气泡的总压力增大，所以气泡在声波压缩相内的振幅变大，总的来说，液体表面张力对气泡的振幅影响比较小；随着气泡内压的增大，气泡在声波膨胀相内的振幅逐渐增大，但是在声波压缩相内由于作用于气泡的总压力减小，所以气泡在声波压缩相内的振幅减小，总体来说气泡内压的影响不大；随着气泡内气体k 值的增大，气泡在声波膨胀相内的振幅逐渐增大，在声波压缩相内振幅也在增大，则空化效应获得的声化学效益越大，因此，使用单原子气体要比使用双原子气体等好，但应该指出，只考虑气体的k 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，那么在守化泡溃过程中所积累的热量将更多地传向周围液体，从而使 max T 值降低，空化减弱；随着温度的升高，空化阈值下降，空化变得容易，而空化强度低，温度降低，空化困难，而空化强度高，二者相比，对空化影响也不是很大。最后本文总结了不同声参数下的空化泡半径变化规律和声空化优化的规律。