《Ultrasonics Sonochemistry》：Mechanisms of oil droplet detachment by cavitation bubbles in ultrasonic cleaning
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本研究针对固体表面油性污染物高效去除的难题，通过高速可视化技术揭示了超声清洗中空化气泡驱动油滴脱附的物理机制。研究发现，油滴去除始于气泡穿透油-水界面，随后气泡在油滴内聚并生长，逐步减小油滴-基底接触面积，最终导致油滴脱离。团队确定了油滴脱附的临界声压阈值（约250 kPa），并指出该过程由气泡溃灭产生的微射流主导。该研究为优化超声清洗参数提供了重要理论依据。
在钢铁制造、汽车工业乃至日常生活中，固体表面的油污清洁始终是困扰诸多领域的难题。传统化学清洗法虽有效却易产生有害副产物，而激光清洗成本高昂，磁分离技术适用范围有限。相比之下，超声清洗技术因成本低、适用性广而备受关注，但其对油性污染物的清洗机制却远不如对固体颗粒的清除机制研究得透彻。这主要是由于油类物质独特的界面特性和粘性特征使得清洗过程更为复杂。为此，韩国西江大学机械工程系的Woongchan Shim、Ryeol Park、Jaedeok Seo和Wonjung Kim团队在《Ultrasonics Sonochemistry》上发表论文，首次通过高速可视化技术系统揭示了空化气泡驱动油滴从固体表面脱附的全过程物理机制。
为阐明这一机制，研究人员搭建了一套精密的实验系统。核心装置为一个充满自来水的透明丙烯酸浴槽，超声由频率40 kHz、尖端直径8 mm的圆柱形变幅杆产生。研究采用动态粘度分别为0.096 Pa·s（100 cSt）和0.96 Pa·s（1000 cSt）的硅油作为模型污染物，将其以约0.5 μL的液滴形式滴加在玻璃基板上。关键观测通过一台高速相机（拍摄帧率4,000至160,000 fps）结合倒置显微镜完成，空间分辨率最高达0.16 μm/像素。声压测量则使用水听器，确保声场稳定性。清洗效率通过图像处理量化，定义为清洗前后油污覆盖面积的变化率。
3.1. 单油滴脱附的实验观察
高速摄像清晰记录了一个100 cSt硅油液滴从玻璃表面脱附的完整序列。过程始于一个空化气泡迁移至水、油、固三相交界线（三相线）附近，并在约120毫秒时穿透进入油滴。随后，第二个大气泡出现并以类似轨迹于400毫秒左右靠近油滴，在470至480毫秒间穿透油-水界面，并于490毫秒与先前的内部气泡聚并。在570至582毫秒间，更多外部气泡被吸引、合并，导致油滴内部气泡持续增长。到1050毫秒时，内部气泡尺寸已与油滴相当，并发生振荡、变形和破碎等动态行为，最终在2199毫秒时，气泡的生长破坏了油-基底界面，导致油滴被抬起并完全脱离。这一可重复的序列表明，油滴脱附是由气泡穿透引发，并通过内部气泡的不断聚并生长，在油-基底界面处形成气层而实现的。
3.2. 油滴脱附的机制
研究对脱附过程提供了更深入的物理解释。气泡之所以会向油滴迁移，归因于声波在油-水界面的折射以及由此产生的次级Bjerknes力。由于油中的声速低于水，透射角小于入射角，在玻璃基底反射后，会在气泡周围产生不对称的次级声场，驱使气泡朝向油-水界面运动。最关键的一步是气泡在三相线附近的溃灭。在此受限几何条件下，足够高的声压会诱发不对称溃灭，产生指向油滴内部的微射流。这股微射流的动量和携带的气体足以克服油-水界面张力，实现穿透。尺度分析表明，Bjerknes力远小于毛细力（界面张力），因此穿透的主要驱动力是微射流而非Bjerknes力。
首次穿透后，后续事件模式相似。外部气泡会受到油滴内部已存在气泡的吸引，这是因为当气泡的固有频率（200–600 kHz）远高于驱动频率（40 kHz）时，相似尺寸的气泡会同相振荡，通过次级Bjerknes力相互吸引。油相粘度高，内部气泡相对静止，而水相中的外部气泡更具流动性。当外部气泡靠近时，内部气泡会变形为扇状，使分隔两气泡的油膜变薄。外部气泡振荡产生的微射流更容易击穿这层薄油膜，实现二次穿透，此过程比首次穿透更迅速。
持续的穿透和聚并促使内部气泡增长至与油滴体积相仿。大气泡在油滴内经历剧烈的混沌变形，包括破碎和再聚并。其猛烈振荡强烈变形油-水界面，并将外部水吸入油滴，进一步破坏界面稳定性，大幅降低油与基底的粘附力，最终导致油滴主体脱离。
3.3. 油滴脱附的声压阈值
研究发现清洗效率强烈依赖于空化气泡穿透油-水界面的能力，而该能力与气泡溃灭产生的微射流密切相关。清洗效率测量显示，存在一个临界声压阈值。当声压低于或等于230 kPa时，清洗效率低于25%；一旦声压超过250 kPa，效率急剧上升至65%–93%。这种非线性响应表明，存在一个阈值压力，高于此值时，微射流才具备足够的强度和频率以实现持续有效的气泡穿透。直接观察证实了这一点：在230 kPa时，气泡穿透事件罕见；而在250 kPa时，穿透频繁发生。延长超声处理时间虽能提高总体效率，但并未改变此阈值压力，说明阈值主要取决于单次穿透事件所需的能量，而非事件发生的累积时间。
本研究阐明了超声去除固体表面油滴的物理机制，明确指出空化气泡动力学，特别是其穿透油-水界面并在内部聚并生长的过程，是驱动油滴脱附的核心。研究首次完整呈现了从初始穿透到最终脱离的连续动态过程，并确定了决定清洗效率的关键参数——临界声压阈值。这些发现不仅深化了对超声清洗油性污染物机理的理解，更重要的是，为通过精确控制声学参数（如声压）来优化清洗性能、设计高效超声清洗系统提供了坚实的理论基础和实用的技术指导。
