材料超声处理中多物理场耦合的高保真数值模拟框架构建与应用

针对超声辅助材料合成与加工中多尺度复杂物理现象难以观测的难题，研究人员开发了集成气泡振荡-冲击波传播-波结构相互作用(WSI)的三模块耦合模型。该框架首次实现基于同步辐射X射线成像数据的实时校准，揭示了粘度阈值对气泡内爆能量释放的调控机制，为超声化学合成和二维材料剥离(ULPE)工艺优化提供了关键工具。

　　

在材料科学和化学工程领域，超声处理技术因其在催化反应增强、纳米材料合成和层状材料剥离等方面的独特优势而备受关注。然而，超声波作用下微米级气泡的瞬态内爆过程（时间尺度低至纳秒级）以及由此产生的多物理场耦合效应，长期以来缺乏有效的观测和模拟手段。特别是在高粘度流体中，气泡动力学行为与冲击波传播机制存在显著知识空白，这严重制约了超声工艺在功能性材料制备中的精准调控。

针对这些挑战，中国某研究机构的研究团队在《Ultrasonics Sonochemistry》发表了创新性研究成果。该工作通过整合计算流体力学(CFD)与有限元分析(FEA)，构建了包含气泡振荡模型、冲击波传播模型和波-结构相互作用(WSI)模型的三维耦合框架。研究采用同步辐射X射线成像技术获取原位实验数据，首次实现了对超声处理过程中多尺度物理现象的高保真模拟。

关键技术方法包括：1) 基于OpenFOAM的VOF-CSF(Volume of Fluid-Continuum Surface Force)方法追踪气液界面；2) 采用Kurganov-Tadmor中心迎风格式模拟冲击波；3) 通过ANSYS Workbench实现CFD-FEA单向耦合；4) 利用APS同步辐射光源进行μs级X射线动态成像。

气泡动力学与粘度阈值效应
研究发现液体粘度对气泡行为具有双重调控作用：在低粘度区(μ<13.7 mPa·s)，阻尼效应主导能量耗散，抑制气泡界面不稳定性；而在高粘度区(μ>13.7 mPa·s)，延迟的内爆导致能量累积，产生更强烈的冲击波（1000 cSt硅油中峰值压力达24 MPa）。这一发现通过Tait状态方程和Rayleigh-Plesset理论得到验证。

多气泡链式反应机制
模拟首次揭示了三气泡系统中的级联内爆现象：首个气泡(B3)内爆产生的冲击波可在0.07 μs内触发邻近气泡(B4/B5)的连锁反应，使冲击波峰值压力提升至34 MPa。这种非线性效应在DIW中表现显著，但在高粘度液体中因能量耗散而减弱。

冲击波-材料相互作用
WSI模型显示，尽管1000 cSt硅油中冲击波传播衰减率达60%，但作用于HOPG(高取向热解石墨)的拉伸应力仍可达10 MPa，超过水中6.5 MPa的效果。这解释了超声剥离(ULPE)工艺在粘性介质中仍能有效解离石墨层的机理。

该研究建立的数值框架突破了传统单气泡模型的局限，首次实现了对超声处理中气泡云集体行为的定量描述。发现的粘度阈值效应为高粘度体系（如聚合物溶液、生物流体）的超声工艺设计提供了理论依据。级联内爆机制的阐明则为开发高效能超声反应器提供了新思路，在纳米材料制备、药物递送系统优化等领域具有重要应用价值。研究团队特别指出，该模型已成功应用于预测二维材料剥离过程中的能量阈值，未来可通过引入机器学习算法进一步提升多参数耦合模拟的精度。