空化

目录

  • 插图
    • 图 1. 20 kHz 下水中的空化功率
    • 图 2. 端面速度对空化强度的影响
  • 表格
    • 表 1. 图 1 的参考文献

空化是指液体内含有蒸气或蒸气与气体混合物的空穴或气泡的形成及随后的溃灭(ASTM-G32)。在超声场的作用下,这种生长和溃灭通常在少数几个超声周期内发生。这些气泡的溃灭会在局部产生极高的压力和温度。

估算功率(水)

对于端面为圆形的变幅杆,其在室温脱气水中的空化功率可以从下图估算。

图——20 kHz 下水中的超声空化功率
图 1. 20 kHz 下水中的空化功率
表 1. 图 1 的参考文献
文献编号 文献 变幅杆端面
直径 (mm)
备注
1a Perkins[1],图 5,第 6 页 3 方法 1
1b Perkins[1],图 5,第 6 页 9.5 方法 1
1c Perkins[1],图 5,第 6 页 19 方法 1
2a Culp[0] 16 方法 1
2b Culp[0] 76

方法 1
线轴形变幅杆(端面均匀性 = 0.99)

3 Sonics & Materials[1]
——致 Culp[0] 的私人通信
51 方法 1
未整形圆柱形变幅杆
4 Peshkovsky[1],图 9,第 321 页 60 方法 2

说明 —

  1. 方法 1 = 用功率计测量净功率。传递给流体的净空化功率等于空化期间换能器的总输入功率减去超声叠堆中的功率损耗。作为近似,超声叠堆的损耗取为超声叠堆的空载功率(即在空气中运行时的功率)。然而,已知换能器压电陶瓷耗散的功率随输出功率的增大而增大,因此用空载近似估算叠堆损耗会偏低。于是,计算出的净空化功率会有些偏高。输出功率越大,误差越大。不过,误差应该不会很大。
  2. 方法 2 = 量热法。在规定的时间内测量水的温升。由此可以根据水的比热和体积计算出空化功率。
  3. Peshkovsky 的数据是在 17.8 kHz 下测得的。为了与其他数据保持一致,Peshkovsky 的数据被外推到 20 kHz,其假设是单位振幅的功率随频率线性增加(即无论频率如何,单位速度的功率恒定)。该假设尚待验证。
  4. 如果变幅杆的端面振幅不完全均匀,则应使用变幅杆端面振幅的平均值来由图 1 计算功率(因为空化功率随振幅线性变化)。
  5. 虽然图 1 的数据是针对圆柱形变幅杆测得的,但只要变幅杆的厚度与宽度大致相当,回归方程可能也近似适用于矩形变幅杆。

空化强度可以从曲线图的斜率得出 — 即 0.89 瓦/微米_峰值/cm²。

空化受众多参数影响。流体性质包括蒸气压、表面张力、粘度和密度。外部因素包括温度、空化核的数量(悬浮颗粒和溶解气体)以及流体容器的形状和距离。因此,图 1 只应作为预期空化功率的粗略估计。如果流体不是水,则图 1 不适用。

示例

假设有一个 20 kHz Ø50 mm 的变幅杆,端面振幅为 50 微米_峰值。(在此直径下端面振幅接近均匀,因此无需对端面振幅取平均。)

变幅杆的端面面积为 1963 mm2。由图 1 的方程,空化功率为 17.4 瓦/微米_峰值。那么在 50 微米_峰值下,估算的空化功率为 870 瓦(向上取整为 900 瓦)。这仅仅是净空化功率。驱动超声叠堆还需要额外的功率。

温度的影响

上述数据针对的是室温(25°C)下的水。然而,随着温度升高,给定振幅下的空化功率会下降。例如,关于水的数据见 Raso[1]Löning[1],关于各种油类的数据见 Kobus[2]

振幅的影响

人们可能以为空化功率会随振幅的平方变化(类似于电阻的 \( I^2 R \) 定律)。如果空化电阻与输入振幅无关,情况确实会如此。然而事实上,空化气泡云的电阻随振幅变化。随着振幅增大,变幅杆端面处的气泡数量也会增加;于是,更厚的气泡云减弱了变幅杆与液体之间的耦合,使能量传递变得相对更加困难。

下图取自 Peshkovsky[1](图 9,第 321 页),表明在给定频率下,空化功率随变幅杆端面速度(因而也随振幅)线性变化。Peshkovsky 的频率为 17.8 kHz。注意,Peshkovsky 的速度是 RMS(均方根;将 \( V_{RMS} \) 乘以 \( \sqrt{2} \) 即可换算为峰值速度)。

图——端面速度对超声空化强度的影响
图 2. 端面速度对空化强度的影响

注:除圈出的数据在 2 bar 压力下测得外,所有数据均在 1 bar [1 个大气压 = 0.1 MPa] 下测得。

图 2 中直线的方程为(Peshkovsky,第 321 页)—

\begin{align} \label{eq:14601a} W_1 &= P_0 \, V_{RMS} \end{align}

其中 —

\( P_0 \) = 静压力 [Pa]

频率的影响

随着频率升高,相邻超声周期之间的时间缩短。因此,空化气泡在溃灭前生长的时间更少。于是,更高的频率会产生更小的气泡,每个气泡所含的能量也更少。(作为一阶近似,气泡半径与频率成反比。见 Leighton[1],公式 11.1,第 200 页;另见 Piazza[1],公式 1,第 3 页。)另一方面,更高的频率意味着单位时间内有更多的气泡溃灭(对于给定数量的气泡),也可能导致更大的气泡密度(单位体积流体中的气泡数)。对功率的净影响是……?

应用

上述关于功率的讨论多少带有学术性质,因为实际应用很少在室温水中进行。功率还受其他因素影响,包括流体粘度、表面张力和颗粒浓度。