[發明專利]研究近壁超聲空化氣泡三維動力學過程的實驗系統和方法

在審

• 申請號: 201911359520.0
• 申請日: 2019-12-25
• 公開（公告）號: CN111060508A
• 公開（公告）日: 2020-04-24
• 發明（設計）人: 于海霞;周成;吳浩;栗大超
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G01N21/84
• 分類號: G01N21/84;G01N13/00;G01M10/00
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 程小艷

本發明公開一種研究近壁超聲空化氣泡三維動力學過程的實驗系統和方法。本發明計算機利用通訊接口分別與注射泵、超聲驅動裝置、頻閃光源和高速相機相連，計算機控制信號分別驅動注射泵推動產生氣泡，觸發超聲驅動開始工作從而為超聲換能器提供動力源而產生超聲，觸發頻閃光源同步地垂直照射并聚焦于氣泡出現區域配合高速相機開始工作來記錄氣泡在超聲作用下三維角度的動力學過程。該實驗系統利用直角三棱鏡的側面的反射，控制頻閃光源的入射角度以及三棱鏡擺放角度，實現氣泡在超聲作用下多個維度動力學過程的準確捕捉。

技術領域

本發明涉及超聲空化氣泡動力學實驗設備技術領域,具體涉及一種集微氣泡產生、超聲驅動、等腰直角三棱鏡、一對垂直照射且聚焦一處的頻閃光源、高速攝影技術、電腦同步控制技術與圖像處理軟件于一體的實驗系統，特別是具有從兩個垂直角度同時觀察近壁超聲氣泡三維動力學過程的能力，更具體的說,為一種研究近壁超聲空化氣泡三維動力學過程的實驗系統和方法。

背景技術

超聲空化是指向液體中輻射超聲波時，在一定的聲場條件下液體中的微小氣泡隨著聲壓變化，經歷脈動、振蕩、收縮、崩潰破滅的現象。聲空化現象是一個非常復雜的過程，它引發許多物理、化學效應，如破壞生物組織壁面、加快化學反應速率、產生破壞性侵蝕等。因此，超聲場下空化氣泡動力學過程的研究對空化作用在工業和醫療方面的應用具有十分重要的實際意義。

最初，科學家們受相機功能限制只能通過空化作用產生的發光、高溫所導致的化學反應以及壁面受損的宏觀物理現象來認識和量化空化作用；為了研究空化作用過程中，氣泡的動力學過程的變化，Chesterman和Schmic等利用高速攝影的方法拍攝了單一單角度空化氣泡的運動情況，但是受到當時技術的限制，拍攝的最大速率只能達到3000幀/秒。隨著技術的發展，近年來高速相機的拍攝速率已經可達到900,000幀/秒，為氣泡動力學的研究提供了必備的設備基礎，Ohl、Laborde、Lauterborn等研究了低頻超聲作用下氣泡的動力學過程，并且在宏觀上觀察了氣泡周圍的發光現象。但是很少見到有人針對微米量級氣泡在多個維度進行動力學過程研究，主要是由于觀測技術以及在控制和捕捉單個微氣泡上存在難點。

Uemura等使用相機觀察了空化氣泡的動力學過程以及空化過程中的聲流現象，通過將相機聚焦在單一的角度觀察氣泡的變化，這種實驗只能在局部視角觀察氣泡，不能全局研究完整的氣泡動力學過程。Robert等利用兩個垂直放置的高速相機同步攝影，拍攝兩個不同角度超聲空化氣泡的動力學過程，但是氣泡空化的時間以微秒計算，該實驗無法確保高速相機的時間同步性，實驗結果可能會存在較大的誤差。因此，到現在為止，還沒有研究人員可以同步、穩定地觀測到超聲作用下微氣泡在三維角度下的動力學過程。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供一種研究近壁超聲空化氣泡三維動力學過程的實驗系統和方法。

本發明為所要解決的技術問題是提出一種研究近壁超聲空化氣泡三維動力學過程的實驗系統和方法，為實現低頻超聲空化作用機制的完整視角研究提供必備的實驗研究平臺。

除此之外，近壁面或者自由場的各類流體甚至微流體的三維動力學過程都能使用本實驗系統進行實驗研究。

本發明所采用的技術方案是：一種研究近壁超聲空化氣泡三維動力學過程的實驗系統，包括集微氣泡產生裝置、超聲驅動裝置，還包括等腰直角三棱鏡、一對垂直照射且聚焦一處的頻閃光源，

所述等腰直角三棱鏡直角邊緊貼水槽底部壁面，豎直放置，直角邊長度略小于壁面長度；

所述一對垂直照射且聚焦一處的頻閃光源，配合高速相機對超聲作用下的氣泡進行光電精密測試測量；

所述微氣泡產生裝置主要由注射泵推動的注射器和玻璃微電極構成；

所述超聲驅動裝置驅動超聲換能器產生超聲；

所述超能換能器、玻璃微電極和三棱鏡均伸入水槽；