球形顆粒附近空化泡的動力學分析

摘 要：【目的】空化是一種自然界存在的物理現象，空化的產生出現在多個領域，包括材料學、地質學和生物學等。早期空化研究是為了避免其帶來的不利影響，比如細胞功能下降、巖石破裂、水力機械的材料空蝕損壞和動力性能惡化等。然而人們逐漸發現空化在多個領域中具有積極應用，比如強化材料、促進化學反應合成、去除難降解有機污染物等。研究空化泡在近壁面附近的潰滅過程，可以更好地了解空化泡潰滅對壁面的作用機制，從而在多領域應用中更好地利用空化效應。壁面包括凹面、凸面、錐面、不規則面等，球形顆粒表面屬于凸面的一種。采用空化技術處理含油污泥，可以顯著提高回油率，實現油泥資源化處理。空化破解油泥的機理是空化泡在油泥顆粒表面潰滅時，產生高溫高壓及高速射流，有利于油與固體顆粒的分離，實現油的回收再利用。【方法】研究球形顆粒附近空化泡潰滅的動力學行為，探究空化泡潰滅的演化過程，進而分析顆粒與空化泡之間的距離和顆粒尺寸對顆粒－空化泡相互作用的影響機制。利用質量、動量和能量守恒原理描述空化泡動力學行為，采用流體體積法對泡壁拓撲結構的變化進行精確界面捕捉，利用ＡＮＳＹＳ軟件數值模擬了空化泡在球形顆粒附近的潰滅過程。【結果】空化泡在球形顆粒附近隨著時間變化逐漸發生潰滅，其潰滅形態受到距離參數和尺寸參數的影響。空化泡坍塌瞬間會形成指向顆粒的微射流與高溫高壓極端環境。【結論】當球形顆粒距離空化泡距離較近時，空化泡呈現梨形坍塌；當距離較遠時，空化泡呈現球形坍塌。當距離參數減小或顆粒尺寸增大時，球形顆粒邊壁受到的最大壓力增大；當距離參數減小或尺寸參數減小時，空化泡形成的最大射流速度增大，顆粒邊壁處最大溫度增大。較大尺寸顆粒附近空化泡潰滅時間更長，且受距離參數影響較大。空化泡距離越遠，潰滅時間越長。

關 鍵 詞：空化；空化泡；球形顆粒；流體體積法；動力學；數值模擬；射流速度；潰滅時間

中圖分類號：ＴＢ５５９ 文獻標志碼：Ａ 文章編號：１０００－１６４６（２０２５）０１－００６７－０６

空化現象是液體內部特有的相變過程包括空化泡的產生、膨脹和潰滅。一般來說，空化泡潰滅瞬間會伴隨強烈沖擊波與微射流，導致近壁面受到嚴重侵蝕，這種現象被稱為空蝕［１］。最早研究空化泡潰滅是為了避免空蝕對機械部件如水輪機葉片［２］、螺旋槳［３］、水泵［４］等產生損傷，后來人們發現空化效應可以合理利用在各種生產生活中，如海垢清洗［５］、食品加工［６］、殺菌消毒［７］、材料表面加工［８］等。

為了研究空化泡在壁面附近潰滅的動力學過程，國內外學者在實驗及數值模擬方面進行了廣泛研究［９］。ＺＨＡＮＧ等［１０］研究了單顆粒附近空化泡潰滅過程后發現，無量綱距離影響空化泡的潰滅形態。ＷＡＮＧ等［１１］對球形顆粒附近的空化泡動力學行為進行了全面實驗研究，建立了有效預測空化泡動力學行為的理論模型。ＫＯＣＨ等［１２］對長圓柱體上方的空化泡潰滅過程進行了研究，空化泡潰滅時產生快速射流。葉林征等［１３］進行了超聲珩磨中聲空化泡潰滅微射流沖擊特性研究，提出了空化泡潰滅射流特性的理論預測模型。ＳＨＥＮ等［１４］對翼型附近空化泡動力學行為進行了研究，建立并驗證了空化泡潰滅射流特性的理論模型。陶躍群等［１５］進行了湍流作用下空化泡的動力學分析和潰滅瞬間自由基產量計算，得到了無量綱距離參數或橢圓離心率對空化泡演化過程和射流強度的影響規律。

在數值模擬研究方面，ＬＩＵ等［１６］研究了近壁面空化泡潰滅過程后發現，當氣泡被擊穿時，射流速度最大，壁面溫度降低，數值模擬空化泡潰滅過程采用的物理模型逐漸發展為非平直壁面。ＨＵ等［１７］研究了球形顆粒附近空化泡潰滅的初始位置對射流特性的影響后發現，射流包括回彈階段射流、指向顆粒射流和相對射流３種類型。ＷＡＮＧ等［１８］發現了顆粒附近空化泡的二次潰滅現象。ＴＯＭＩＴＡ等［１９］發現表面凹壁面曲率越小，空化泡潰滅時產生的射流速度越大。另外，ＬＩＵ等［２０］研究發現空化泡潰滅產生的射流速度隨著空化泡周圍流體壓力的減小而減小。