[发明专利]研究近壁超声空化气泡三维动力学过程的实验系统和方法

说明书

本发明公开一种研究近壁超声空化气泡三维动力学过程的实验系统和方法。本发明计算机利用通讯接口分别与注射泵、超声驱动装置、频闪光源和高速相机相连，计算机控制信号分别驱动注射泵推动产生气泡，触发超声驱动开始工作从而为超声换能器提供动力源而产生超声，触发频闪光源同步地垂直照射并聚焦于气泡出现区域配合高速相机开始工作来记录气泡在超声作用下三维角度的动力学过程。该实验系统利用直角三棱镜的侧面的反射，控制频闪光源的入射角度以及三棱镜摆放角度，实现气泡在超声作用下多个维度动力学过程的准确捕捉。

技术领域

本发明涉及超声空化气泡动力学实验设备技术领域,具体涉及一种集微气泡产生、超声驱动、等腰直角三棱镜、一对垂直照射且聚焦一处的频闪光源、高速摄影技术、电脑同步控制技术与图像处理软件于一体的实验系统，特别是具有从两个垂直角度同时观察近壁超声气泡三维动力学过程的能力，更具体的说,为一种研究近壁超声空化气泡三维动力学过程的实验系统和方法。

背景技术

超声空化是指向液体中辐射超声波时，在一定的声场条件下液体中的微小气泡随着声压变化，经历脉动、振荡、收缩、崩溃破灭的现象。声空化现象是一个非常复杂的过程，它引发许多物理、化学效应，如破坏生物组织壁面、加快化学反应速率、产生破坏性侵蚀等。因此，超声场下空化气泡动力学过程的研究对空化作用在工业和医疗方面的应用具有十分重要的实际意义。

最初，科学家们受相机功能限制只能通过空化作用产生的发光、高温所导致的化学反应以及壁面受损的宏观物理现象来认识和量化空化作用；为了研究空化作用过程中，气泡的动力学过程的变化，Chesterman和Schmic等利用高速摄影的方法拍摄了单一单角度空化气泡的运动情况，但是受到当时技术的限制，拍摄的最大速率只能达到3000帧/秒。随着技术的发展，近年来高速相机的拍摄速率已经可达到900,000帧/秒，为气泡动力学的研究提供了必备的设备基础，Ohl、Laborde、Lauterborn等研究了低频超声作用下气泡的动力学过程，并且在宏观上观察了气泡周围的发光现象。但是很少见到有人针对微米量级气泡在多个维度进行动力学过程研究，主要是由于观测技术以及在控制和捕捉单个微气泡上存在难点。

Uemura等使用相机观察了空化气泡的动力学过程以及空化过程中的声流现象，通过将相机聚焦在单一的角度观察气泡的变化，这种实验只能在局部视角观察气泡，不能全局研究完整的气泡动力学过程。Robert等利用两个垂直放置的高速相机同步摄影，拍摄两个不同角度超声空化气泡的动力学过程，但是气泡空化的时间以微秒计算，该实验无法确保高速相机的时间同步性，实验结果可能会存在较大的误差。因此，到现在为止，还没有研究人员可以同步、稳定地观测到超声作用下微气泡在三维角度下的动力学过程。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种研究近壁超声空化气泡三维动力学过程的实验系统和方法。

本发明为所要解决的技术问题是提出一种研究近壁超声空化气泡三维动力学过程的实验系统和方法，为实现低频超声空化作用机制的完整视角研究提供必备的实验研究平台。

除此之外，近壁面或者自由场的各类流体甚至微流体的三维动力学过程都能使用本实验系统进行实验研究。

本发明所采用的技术方案是：一种研究近壁超声空化气泡三维动力学过程的实验系统，包括集微气泡产生装置、超声驱动装置，还包括等腰直角三棱镜、一对垂直照射且聚焦一处的频闪光源，

所述等腰直角三棱镜直角边紧贴水槽底部壁面，竖直放置，直角边长度略小于壁面长度；

所述一对垂直照射且聚焦一处的频闪光源，配合高速相机对超声作用下的气泡进行光电精密测试测量；

所述微气泡产生装置主要由注射泵推动的注射器和玻璃微电极构成；

所述超声驱动装置驱动超声换能器产生超声；

所述超能换能器、玻璃微电极和三棱镜均伸入水槽；