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空化现象是液体中常见的一种物理现象。在液体中由于涡流或超声波等物理作用,某些地方形成局部的暂时负压区,从而引起液体或液-固体界面的断裂,形成微小的空泡或气泡。液体中产生的这些空泡或气泡处于非稳定状态,有初生、发育和随后迅速闭合的过程。当它们迅速闭合破灭时,会产生一微激波,因此局部有很大的压强。这种空泡或气泡在液体中形 成和随后迅速闭合的现象,称为空化现象。若空化是由超声波引起的,就称为超声空化。
由于空化现象产生气泡的非线性振动,以及它们破灭时产生爆破压力,所以伴随空化现象能产生许多物理的或化学的效应。这些效应有腐蚀破坏工件的消极方面的作用,也有在工程技术中得到应用的积极方面的作用,特别是在超声加工和超声清洗中有重要的作用。
(1)液体强度和空化核
空化是一种液体现象,只有在液体中才能产生。但是液体分子的内聚力很大,所以纯净液体的理论强度很高。理论上,只有当外加的负压超过分子内聚力时,才能把液体拉破。分子间的相互作用力F在一定温度下是分子间距*的函数,如图2-1所示。
空化是一种液体现象。液体分子的内聚力很大,所以纯净液体的理论强度很高。理论上,只有当外加的负压超过分子内聚力时,才能把液体拉破。分子间的相互作用力F在一定温度下是分子间距离x的函数,如图2-1所示。
当x很小时,F为斥力,距离增大时斥力变小,到一定距离后就由斥力变为引力,并随距离增大而增大,到距离 时引力达到最大,此距离称为临界距离。距离继续增大而引力逐渐变小,所以 是液体分子的稳定距离。此距离与液体的温度有关,温度升高可使分子间的距离增大。当分子间距离超过 时,分子易于克服其内聚力而逸散。当外加负压满足P>- 时,也可把分子拉开, 是对应于距离 的分子内压力。纯水强度的理论极限值为 ≈3250kgf/c㎡(1kgf/c㎡=98kPa).设想用声波作用把液体分子拉开,那么声压振幅值应和 同数量级,可以推知声强度应为 3. 74x106W/c ㎡,此声强非常大,实际上是做不到的。
然而,实验证明在液体中产生空化所需的声强远远低于上述数值。为解释此现象,人们曾进行了深入研究,发现液体中存在着许多空化核,即很微小的气泡,直径一般为10-9 ~10-8m左右。在声负压的作用下,这些空化核就会膨胀而形成空化气泡。
当液体中存在空化核,且空化核内含有蒸汽时,该液体的强度由下式计算
式中, 为蒸气压; 为空化核的初始半径;σ是表面张力;是液体的静压强。由式(2-1)可以看出,空化核的半径 愈大,该处液体强度愈弱;反之,空化核半径 愈小,液体强度也就愈强。含有空化核的地方就是液体强度比较薄弱的地方,也就是空化开始的地方。
(2) 空化阈
使液体产生空化的最小压强称为该液体的空化阈值。
设液体的静压力为 ,声波交变声压幅值为 ,则液体中压强的变化为 ± 。当> 时,则 -<0,形成负压,这时空化核在负压作用下膨胀,当->时,形成空化。对于含有半径为 的空化核的液体,超声空化的空化阈为
将式(2-1)即 表达式代入,则空化阈为
由此可见,超声空化阈值随不同液体而不同;同一液体,随温度、压力状态、含气量以及空化核半径的大小和分布的不同而不同。
水的空化阈 随含气量(相对饱和含气量)的减少单调上升。静压加大,含气量减少,空化核也减少,因此空化阈升高。实验证明,当液体中含气量大时,静压对空化阈影响较大,而含气量小时影响较小。空化阈和液体黏性有关,黏性大的液体空化阈略高。空化阈和声波作用的时间也有关系,声波作用时间长,空化阈下降,未除气的水表现得格外明显。当用脉冲声作用时,空化阈和脉冲宽度有很大关系,脉冲宽度越大,空化阈值越低。空化阈也与声波的频率有关,频率越高,空化阈值越高,如表2-1所示。
此表所列的结果仅是在一定条件下的实验结果,即在超声频率低频段的情况下得到的规律。在较高的超声频率(兆赫级),在生物组织内仍有超声空化现象。
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