一种模拟超声空泡动力学行为的数值方法技术

本发明专利技术提供一种模拟超声空泡动力学行为的数值方法，具体步骤包括：一，构建控制方程，所述控制方程包括超声场中质量守恒方程与动量方程；二，构建超声辐射力方程；三，将超声辐射力方程带入动量方程中，并对控制方程进行无量纲化；四，求解无量纲化后的控制方程，提取所需的流场数据，实现对超声空泡动力学行为的模拟。该方法所模拟的超声空泡形态变化与真实超声空泡形态变化之间误差较小，可捕捉超声空泡瞬态演化规律和空泡的溃灭特性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种模拟超声空泡动力学行为的数值方法，属于流体机械工程、多相流和计算流体力学

技术介绍
超声空化是声与液体媒介质相互作用而产生的一种非线性效应。液体内部由于声波作用导致局部压力降低到液体饱和蒸汽压时，会产生汽化现象，同时溶解于液体中的气体也会析出，形成气泡(又称空泡、空穴)。在声波的膨胀和压缩的过程中，这些气泡表现出的振荡、生长、收缩以及溃灭等动力学行为，以及由此产生的一系列物理和化学变化过程称为超声空化。超声空化引起的热效应以及机械效应等已被应用于众多领域，如医学治疗、工业污水处理、纳米材料制备等。另一方面，超声空泡溃灭产生的冲击力，造成化工设备不同程度的损伤，严重影响化工业生产的可靠性与安全性。超声空化问题一直是流体机械工程和多相流领域的关键核心问题，由于超声空化现象的复杂性，单一空化泡的动力学机理研究一直是超声空化研究的重要方面之一。研究单一空化气泡的动力学过程不仅是研究多泡空化的起点，而且是研究整个超声空化现象的基础。目前，关于超声空泡动力学行为及其影响因素的数值研究，多基于Rayleigh-Plesset(R-P)方程开展。然而研究表明：单个气泡受超声作用会呈现多种振荡形态，即形态振荡(Shape Oscillation)、体积振荡(Volume Oscillation)、分裂振荡(Splitting Oscillation)以及混乱振荡(Chaotic Oscillation)。因此，以球型溃灭假设为理论基础的R-P方程并不能有效地捕捉超声空泡溃灭的瞬态演化规律和空泡溃灭特征。所以建立一种模拟超声空泡的数值方法，以实现捕捉超声空泡瞬态演化规律和空泡溃灭特性，具有重要的现实意义。
技术实现思路
针对现有技术中存在的问题，本专利技术的目的是提供一种模拟超声空泡动力学行为的数值方法，该方法能够瞬态演化规律和空泡溃灭特性。为了达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种模拟超声空泡动力学行为的数值方法，具体步骤包括：一，构建控制方程所述控制方程包括超声场中质量守恒方程与动量方程，分别如式(1)和(2)所示： ▿ · u = 0 - - - ( 1 ) ]]> ρ ( φ ) ( ∂ u ∂ t + u · ▿ u ) = - ▿ p + ρ ( φ ) g + ▿ · [ μ ( ▿ u + ▿ T u ) ] + σ κ ( F ) ▿ H ϵ ( φ ) + F a - - - ( 2 ) ]]>其中，u是流体质点的速度矢量，p是流体质点的压力，g是重力加速度，σ是气泡的表面张力系数，Fa为超声辐射力，κ是表面曲率，Hε(φ)为Heaviside函数，F为流体体积，φ为相函数，ρ是混合密度，μ是混合动力学粘度，其表达式如下：二，构建超声辐射力方程将超声辐射力表示为Fa≈(0，Fy)： F y = p a 2 ρ l c 0 2 e - 2 α ( ω ) y [ α c o s 2 ( ω t - k y ) - k s i n 2 ( ω t - k y ) + α ] - - - ( 11 ) ]]> α ( ω ) = 2 ω 2 η / ( 3 ρc 0 3 ) - - - ( 10 ) ]]>其中，c0为声波在液体中的传播速度，y为距离声源的距离，ω＝2πf表征圆频率，f为声频率，pa为声压幅值，k＝ω/c0为声波数，ρl为液体相密度，η＝1.002*10-3Pa·s为粘性系数；三，将所述Fa带入动量方程式(2)中，并对控制方程进行无量纲化；四，求解无量纲化后的控制方程，提取所需的流场数据，实现对超声空泡动力学行为的模拟。进一步地，本专利技术在步骤(4)中，针对无量纲化后的控制方程，对流项进行显示二阶迎风离散，粘性项进行中心差分格式离散，根据实际应用情况对计算流域的边界条件和初始化条件进行设置；然后提取所需的流场数据。进一步地，本专利技术根据公式(6)和公式(7)分别计算流体体积F和相函数φ； ∂ F ∂ t + u · ▿ F = 0 - - - 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种模拟超声空泡动力学行为的数值方法，其特征在于，具体步骤包括：一，构建控制方程所述控制方程包括超声场中质量守恒方程与动量方程，分别如式(1)和(2)所示：▽·u＝0   (1)ρ(φ)(∂u∂t+u·▿u)=-▿p+ρ(φ)g+▿·[μ(▿u+▿Tu)]+σκ(F)▿Hϵ(φ)+Fa---(2)]]>其中，u是流体质点的速度矢量，p是流体质点的压力，g是重力加速度，σ是气泡的表面张力系数，Fa为超声辐射力，κ是表面曲率，Hε(φ)为Heaviside函数，F为流体体积，φ为相函数，ρ是混合密度，μ是混合动力学粘度；二，构建超声辐射力方程将超声辐射力表示为Fa≈(0，Fy)：Fy=pa2ρlc02e-2α(ω)y[αcos2(ωt-ky)-k sin2(ωt-ky)+α]---(11)]]>α(ω)=2ω2η/(3ρc03)---(10)]]>其中，c0为声波在液体中的传播速度，y为距离声源的距离，ω＝2πf表征圆频率，f为声频率，pa为声压幅值，k＝ω/c0为声波数，ρl为液体相密度，η＝1.002*10‑3Pa·s为粘性系数；三，将所述Fa带入动量方程式(2)中，并对控制方程进行无量纲化；四，求解无量纲化后的控制方程，提取所需的流场数据，实现对超声空泡动力学行为的模拟。...

【技术特征摘要】
1.一种模拟超声空泡动力学行为的数值方法，其特征在于，具体步骤包括：一，构建控制方程所述控制方程包括超声场中质量守恒方程与动量方程，分别如式(1)和(2)所示：▽·u＝0 (1) ρ ( φ ) ( ∂ u ∂ t + u · ▿ u ) = - ▿ p + ρ ( φ ) g + ▿ · [ μ ( ▿ u + ▿ T u ) ] + σ κ ( F ) ▿ H ϵ ( φ ) + F a - - - ( 2 ) ]]>其中，u是流体质点的速度矢量，p是流体质点的压力，g是重力加速度，σ是气泡的表面张力系数，Fa为超声辐射力，κ是表面曲率，Hε(φ)为Heaviside函数，F为流体体积，φ为相函数，ρ是混合密度，μ是混合动力学粘度；二，构建超声辐射力方程将超声辐射力表示为Fa≈(0，Fy)： F y = p a 2 ρ l c 0 2 e - 2 α ( ω ) y [ α c o s 2 ( ω t - k y ) - k s i n 2 ...

【专利技术属性】
技术研发人员：王国玉，马潇健，黄彪，高德明，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11