超声激励下考虑传质的低温两相流非线性气泡动力学研究

推荐：针对低温两相流中气泡动力学受蒸汽传质影响的问题，研究人员结合理想气体-蒸汽假设与低温流体状态方程，建立了考虑蒸汽传质的超声激励气泡动力学模型。通过数值计算与有限体积模拟验证，发现传质会提高气泡共振频率和温度变化幅度，降低半径变化，并在低压共振条件下引发气泡溃灭。该研究为低温流体超声测量提供了理论基础，对航空航天等领域的气液两相流调控具有重要意义。

　　

在航空航天和化工领域，低温流体（如液氧、液氮、液态甲烷）的管道输送过程中常因压降、壁面加热等因素形成复杂的气液两相流。气泡在超声作用下的动态特性是测量技术的核心问题，但现有研究多忽略低温流体中蒸汽传质的影响，导致热力学机制描述不准确。为此，中国的研究团队通过理论建模与数值模拟，揭示了传质对气泡非线性振动的调控机制，成果发表于《Ultrasonics Sonochemistry》。

研究采用理想气体-蒸汽混合假设，结合Helmholtz自由能定义的低温流体状态方程，构建了包含传质效应的气泡控制方程。通过Laplace变换和Green函数法求解温度场，利用四阶Runge-Kutta法计算气泡振动，并建立三维有限体积模型（VOF多相流模型结合Schneer-Sauer空化模型）进行验证。

研究结果显示：1）传质使气泡共振频率显著提升（如30μm气泡在液态甲烷中从980kHz增至1140kHz），温度波动幅度增加30%但半径变化减小；2）共振激励下，低压环境（25-30bar）中气泡会因温度超过饱和点（如甲烷120K）引发溃灭，模拟显示蒸汽在界面聚集形成混合边界层是溃灭主因；3）振幅阈值效应明显，液态氢中50μm气泡在0.00005P_l激励下44周期后溃灭，而40bar高压环境可使振动趋于稳定。

该研究首次量化了传质对低温气泡热-力耦合特性的影响，提出的非线性动力学模型为超声测量参数优化提供了依据。团队发现的气泡溃灭温度阈值机制，对预防低温系统空化损伤具有指导价值。未来研究将扩展至气泡群相互作用，以解决实际管道流中的多尺度测量难题。