近壁空化气泡溃灭瞬态温度响应与演化的实验及数值研究

《Ultrasonics Sonochemistry》：Experimental and numerical study on the transient temperature response and evolution during near-wall collapse of cavitation bubble

　　

研究人员结合微秒响应的薄膜热电偶（thin-film thermocouple, TFTC）实验与混合热多弛豫时间格子玻尔兹曼方法（multiple-relaxation-time lattice Boltzmann method, MRT-LBM）模拟，研究了近壁空化气泡溃灭过程中的瞬态温度响应及其演化。研究人员首先在自由场条件下验证了数值模型对气泡动力学和温度演化的预测能力，进而研究了固壁附近非对称空化气泡的生成、成长、溃灭以及壁面瞬态温度响应。结果表明，近壁溃灭的壁面温度响应可分为冲击波诱导温升、液膜压缩、空化冷却和溃灭后平台四个阶段；研究人员首次直接测量到10⁶ K/s量级的冲击波致温变率和10⁵ K/s量级的空化冷却速率；当无量纲静态距离γ（γ=s/R_max）约为0.75时，壁面加热达到最优。

近壁空化气泡溃灭的瞬态温度响应与演化——实验与数值研究解读

空化气泡溃灭会产生高速微射流、局部高压和瞬时高温等极端物理效应，这些效应在空蚀、超声清洗、传热强化和生物医学过程中广泛存在。当气泡靠近固体壁面时，壁面会打破流场对称性，促进指向壁面的高速微射流形成，不仅显著增强局部冲击压力，还引发复杂的热-流耦合，因此近壁空化热效应成为空化动力学的重要研究课题。然而，现有研究主要关注气泡形态演化、微射流形成、冲击压力与空蚀特征，对微射流冲击壁面后局部热量的产生、演化与耗散过程，以及近壁高温平台的形成机制尚缺乏系统认识。实验方面，空化气泡尺寸小、溃灭时间短，传统测温手段响应速度慢、空间扰动大，难以直接捕捉瞬态热信号；数值模拟虽能描述多相流，但缺乏与高时间分辨率测温实验的结合验证。针对上述问题，研究人员提出将微秒级响应薄膜热电偶与热格子玻尔兹曼方法相结合，直接测量并揭示近壁溃灭瞬态温度响应的形成与演化规律。

该研究发表于《Ultrasonics Sonochemistry》。研究人员首先在自由场条件下验证了所建混合热MRT-LBM模型对气泡生长、溃灭及温度演化的预测能力；随后针对近壁条件研究了不对称气泡的生成、膨胀、溃灭及壁面温度响应，建立了四阶段温度响应模型，并阐明了各阶段对应的物理机制。重要的是，研究人员首次直接测量到10⁶ K/s量级的冲击波致温变率和10⁵ K/s量级的空化冷却速率，并发现无量纲静态距离γ≈0.75时壁面加热效果最优。这些结果为理解空蚀、水相高级氧化、超声医学等过程提供了极端热-动力学基础，也验证了薄膜热电偶用于极端瞬态温度测量的可行性。

在关键技术方面，研究人员搭建了集成可控气泡生成、高速可视化与微秒测温的实验平台。气泡由低电压水下脉冲放电产生，使用带缺陷的铜丝电极（直径0.2 mm）和6800 μF储能电容，充电电压不超过80 V，在去离子水中稳定生成单个毫米级气泡。气泡形态由高速相机（AcutEye CP90-3-M-540）以12012 fps记录。温度测量采用与大连交通大学崔云先教授团队合作定制的针型高速薄膜热电偶，热结点直径2 mm，响应时间小于10 μs，平均误差低于0.5%；信号经AD8495放大后由USB8536高速采集卡以10 MHz同步采样。数值模拟采用伪势MRT-LBM（D2Q9模型，Shan-Chen力项，Carnahan-Starling状态方程），并通过Li改进力项保证热力学一致性；温度场独立用有限差分法和四阶Runge-Kutta格式求解，通过状态方程与流场耦合。

研究结果方面，在自由场条件下，实验与数值模拟在气泡形态、半径演化规律上吻合良好。充电电压从40 V增至80 V时，最大气泡半径从约0.38 cm增至0.65 cm。温度信号显示一个尖锐初始峰，持续约240 μs，上升沿约50 μs，温升约52 °C，温变速率达10⁶ K/s量级。通过计算传播速度和数值模拟冲击波传播过程，证实该尖峰由放电引发的冲击波绝热压缩液体所致。近壁典型工况（γ≈0.50）下，气泡形态呈明显不对称，形成指向壁面的微射流。壁面温度曲线呈现四个阶段：第一段为放电后瞬时冲击波温度峰；第二段为气泡生长期间，无滑移壁面与气泡间液膜受绝热压缩，温度在约0.8 ms内上升16.7 °C；第三段为气泡溃灭时，液膜处于拉伸状态并产生低压，触发测量点处局部空化，吸收大量潜热造成“空化冷却”，温度在约0.5 ms内下降50 °C，平均冷却速率约1.3×10⁵ K/s，最大斜率约2.5×10⁵ K/s；第四段为溃灭后的低温平台。针对γ影响的研究覆盖0.35至1.85，共32组实验曲线，均符合四阶段模式。峰值2随γ增大先升后降，在γ≈0.75时达到最大，其原因在于该距离下气泡壁与壁面之间具有更长的可压缩距离和绝热压缩时间；γ>0.75时液膜变厚、流动性增强，绝热压缩过程减弱。峰值1基本保持不变，说明各次放电能量近似一致。

讨论部分进一步确认了各阶段温度演变的物理机制，并通过改变γ验证了液膜压缩与空化冷却模型的合理性。结论可概括为：本研究通过薄膜热电偶与混合热MRT-LBM模拟相结合，系统研究了近壁空化气泡溃灭的瞬态温度响应与演化，建立了包含冲击波温升、液膜压缩、空化冷却和溃灭后平台的四阶段响应模型，并确定了各阶段的主导机制。γ≈0.75时壁面加热最强。首次直接测量到的10⁶ K/s冲击波致温变率和10⁵ K/s级空化冷却速率，是极端物理现象，为理解空蚀、水相高级氧化以及超声医学应用提供了重要基础；同时证明微秒响应薄膜热电偶方案可有效用于此类瞬态温度测量，未来可采用更小型化、更坚固的传感器进一步测量溃灭末期气泡内部温度。