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实验性分析刚性壁面附近空化气泡对颗粒动力学的影响

作者及机构
本研究由兰州理工大学能源与动力工程学院的Xiaobo Shen（沈小波）、Wei Han（韩伟）、Rennian Li（李仁年）等团队完成，发表于《Physics of Fluids》期刊2024年9月第36卷，论文标题为《Experimental analysis of particle dynamics influenced by cavitation bubbles near a rigid wall》。

学术背景
空化气泡与颗粒的相互作用在流体力学、化学工程和医学等领域具有重要应用价值。例如，在流体力学中，空化侵蚀和颗粒冲击磨损是表面损伤的主要机制；在医学中，超声波空化可用于靶向药物递送。然而，刚性壁面附近空化气泡与颗粒的动力学行为尚未被充分研究，尤其是颗粒尺寸、气泡尺寸及两者距离对相互作用模式的影响机制尚不明确。本研究旨在通过实验方法，量化分析不同条件下颗粒的动力学特性，并建立分类标准。

研究方法与流程
1. 实验系统搭建
- 核心设备包括Phantom V1210高速摄像机（帧率240,000 fps）、低压电火花空化气泡发生器（电容7600 μF，电压0–100 V可调）、透明亚克力水槽（300×150×300 mm³）及刚性铝板壁面。
- 使用钢球作为实验颗粒（密度7.85×10³ kg/m³），通过调整电极位置和电源电压控制气泡尺寸（最大半径rmax=2.64–3.72 mm）及与壁面的距离（l=1.81–8.13 mm）。

1. 参数定义与分类

   • 引入两个无量纲参数：
     
     • v（颗粒与气泡尺寸比）：v = rp/rmax，其中rp为颗粒半径。
       
     • k（距离参数）：k = (l - 2rp - rmax)/rmax，用于描述气泡中心与壁面的相对距离。
       
   • 通过阈值vt=0.4和kt=0将实验分为两类：v < vt时颗粒受气泡射流（jet）主导；v > vt时受辐射力（radiation force）主导。
     

2. 实验流程

   • 自由场验证：在去离子水中重复5次气泡膨胀-坍塌实验，确认系统可重复性（半径变异系数CV=1.05%）。
     
   • 壁面实验：
     
     • 固定颗粒半径（rp=0.25–2 mm），调整气泡尺寸和距离，记录颗粒运动轨迹。
       
     • 使用Phantom PCC 3.6和ImageJ软件分析气泡形态及颗粒位移。
       
   • 数据处理：通过等效球体直径法计算非球形气泡的rmax，并结合高速影像量化射流速度（vjet）和颗粒加速度（ap）。
     

3. 关键实验观察

   • 射流主导模式（v < vt）：
     
     • 当k < 0时，射流直接冲击颗粒，速度高达85.8 m/s（案例9），颗粒轨迹随机。
       
     • 当k > 0时，射流衰减显著（案例17中vjet=1.65 m/s），颗粒动能降低至5.20×10⁻⁸ J。
       
   • 辐射力主导模式（v > vt）：
     
     • 颗粒被气泡拉离壁面，随后自由回落（案例8中最大位移dymax=6.4 mm）。
       
     • 辐射力作用下的颗粒加速度理论模型（式21）与实验数据误差仅3.3%。
       

主要结果
1. 动力学模式分类：
- 阈值vt=0.4可明确区分射流与辐射力的主导作用。当v接近vt且k < 0时，两种力共同影响颗粒。
2. 射流特性：
- 射流速度受k值显著影响，k < 0时冲击能量高（案例13中颗粒动能1.07×10⁻⁵ J），k > 0时能量快速衰减。
3. 辐射力机制：
- 通过修正气泡动力学方程（式19）引入阻尼系数x=kdf·ṙ，数值模拟与实验曲线高度吻合（案例8，kdf=5000）。
- 颗粒加速度公式（式21）综合了重力、浮力、流体阻力（drag force）和虚质量力（virtual mass force），验证了辐射力的主导作用。

结论与意义
1. 科学价值：
- 首次通过实验量化了v和k参数对颗粒-气泡相互作用模式的调控机制，为多相流动力学提供了新的分类标准。
- 修正的Keller-Miksis方程（式16）提高了近壁面气泡动力学模拟的精度。
2. 应用价值：
- 在工程中可优化空化清洗和表面处理工艺，例如通过控制v < vt实现高效颗粒去除（如案例9中射流能量达5.75×10⁻⁶ J）。
- 在医学领域，v > vt的辐射力模式可为靶向药物递送提供低损伤方案（案例23中无射流冲击）。

研究亮点
1. 方法创新：结合高速摄像与等效球体直径法，解决了非球形气泡的半径量化难题。
2. 理论突破：提出辐射力临界条件（式9），揭示了气泡尺寸与颗粒密度的匹配关系。
3. 跨学科价值：研究结果可延伸至超声碎石、微纳颗粒操控等领域。

其他发现
- 颗粒对气泡坍塌过程的影响：当k > 0时，颗粒仅延迟二次坍塌射流的到达时间（图3b），而形态变化可忽略。
- 未来计划通过纹影成像（schlieren imaging）分离冲击波、射流和辐射力的独立作用机制。

该研究通过系统的实验设计与理论建模，为空化气泡与颗粒相互作用的工程应用提供了定量化指导，尤其在微尺度流体控制领域具有重要潜力。