空化现象

空化现象是一种由液体中形成的空穴崩溃所产生的现象，这一过程会伴随高温、高压、放电、发光和激震波等特征。空穴的形成可能由多种因素引发，如强烈的超声波照射、爆炸时的激震、高速流体冲激摩擦或剧烈的化学反应等。空化现象在多个领域有广泛应用，如促进化学反应、粉碎液内悬浮物、制造乳剂、杀灭细菌或清洗机件等。

特征及原理

特征

空化现象的特点是在液体中形成的空穴崩溃时，会产生高温、高压、放电、发光和激震波等现象。

原理

超声波空化作用是指存在于液体中的微气核空化泡在声波的作用下振动，当声压达到一定值时发生的生长和崩溃的动力学过程。空化作用一般包括三个阶段：空化泡的形成、长大和剧烈的崩溃。当盛满液体的容器通入超声波后，由于液体振动而产生数以万计的微小气泡，即空化泡。这些气泡在超声波纵向传播形成的负压区生长，而在正压区迅速闭合，从而在交替正负压强下受到压缩和拉伸。在气泡被压缩直至崩溃的一瞬间，会产生巨大的瞬时压力，一般可达几十兆帕至上百兆帕。研究表明，空化可使气相反应区的温度达到约5,200 K，液相反应区的有效温度达到约1,900 K，局部压力在5.05 × 10 kPa，温度变化率高达10 K/s，并伴有强烈的冲击波和时速达400 km的微射流。这种巨大的瞬时压力能使悬浮在液体中的固体表面受到急剧的破坏。通常将超声波空化分为稳态空化和瞬态空化两种类型：稳态空化是指在声强较低（一般小于10 W/cm）时产生的空化泡，其大小在其平衡尺寸附近振荡，生成周期达数个循环。当扩大到使其自身共振频率与声波频率相等时，发生声场与气泡的最大能量耦合，产生明显的空化作用。瞬态空化则是指在较大的声强（一般大于10 W/cm）作用下产生的生存周期较短的空化泡（大都发生在1个声波周期内）。

应用

超声波广泛应用于各领域，得益于其空化作用及其伴随的机械效应、热效应、化学效应、生物效应等。机械效应和化学效应的应用，前者主要表现为非均相反应界面的增大；后者主要是因为空化过程中产生的高温高压导致有机高分子化合物分解、化学键断裂和产生自由基等。利用机械效应的过程包括吸附、结晶、电化学、非均相化学反应、过滤以及超声清洗等，利用化学效应的过程主要包括有机化合物降解、高分子化学反应以及其他自由基反应。

影响因素

超声波空化作用的强弱受声学参数和液体的物理化学性质的影响。具体而言：

- 超声波强度：超声波强度指单位面积上的超声功率，空化作用的产生与其相关。对于一般液体，超声波强度增加时，空化强度增大，但达到一定值后，空化趋于饱和，此时再增加超声波强度则会产生大量无用气泡，从而增加了散射衰减，降低了空化强度。

- 超声波频率：超声波频率越低，在液体中产生空化越容易。也就是说，要引起空化，频率愈高，所需要的声强愈大。例如，在水中产生空化，超声波频率在400 kHz时所需的功率要比在10 kHz时大10倍，即空化随频率的升高而降低。一般采用的频率范围为20至40 kHz。

- 液体的表面张力与黏滞系数：液体的表面张力越大，空化强度越高，越不易于产生空化。黏滞系数大的液体难以产生空化泡，且传播过程中损失也大，因此同样不易产生空化。

- 液体的温度：液体温度越高，对空化的产生越有利，但温度过高时，气泡中蒸汽压增大，因此气泡闭合时增强了缓冲作用而使空化减弱。

参考资料

水力空化发生装置的研究的任务书.豆丁网.2024-10-24

空化、空蚀和超空泡.豆丁网.2024-10-24

空化现象及应用(论文资料).豆丁网.2024-10-24