空化气泡在一个声周期内的演变特征 [page::2]

• 气泡在负压阶段迅速生成和膨胀，大小从约50μm增加到300μm，生长速率16.8 m/s，正压阶段气泡收缩和破裂。

- 气泡尺寸和分布显示两区域差异，反映声强或气含量不同。

• 典型空化过程经历多个声学周期，气泡生命周期多数小于1个周期。

超声空化强度的时域演化及阶段划分 [page::2][page::3]

• 空化过程分为剧烈空化阶段（约持续250-400个声周期，气泡密度>30%）及随后的弱空化阶段（气泡密度<10%）。

- 剧烈阶段多空化云形成，空化气泡尺寸大且密集；弱空化阶段气泡尺寸小且分布稀疏，气含量下降。

• 气泡形态周期性变化，体现声压正负周期的影响。

超声功率和基底材料对空化特性的影响 [page::5][page::7][page::9]

• 随超声功率从Mode I增至Mode III，空化强度明显增强，气泡密度和尺寸均增加，低功率阶段仅有少量微小气泡。

- 基底材料弹性模量较高的Q235B相较纯铝产生更大振幅（最高达20μm），对应液体中更高的声压和更强空化强度。

薄液体层内声压场的数值模拟与验证 [page::6][page::7][page::8]

• 模拟结果显示声压在液层内沿垂直方向呈明显衰减，最大压力集中于液层底部。

- 声压周期性变化与气泡形态变化相对应，气泡在负压阶段生成膨胀，在正压阶段收缩破裂。

• 提取的振幅和声压曲线均呈正弦形，随超声功率增加振幅及声压增大，解释了实验中不同功率空化强度差异。

气泡动力学模型计算与实验结果高度吻合 [page::10]

• 采用修正Rayleigh–Plesset方程模拟气泡动力学，计算出与实验观察一致的气泡生长速度（最高16.63 m/s）。

- 声压驱动的气泡生长和缩减周期解释了高速摄影下的气泡形态演变。

• 小气泡寿命短，通常小于1个声周期，较大气泡寿命可达数个声周期。

薄层液体中空化演化示意 [page::11]

• 初始液/固界面及液体内存在气泡气核。

- 超声开启后进入剧烈空化阶段，气泡吸附附近气体迅速增长形成空化云，产生强烈气泡活动。

• 随气体耗尽，空化逐渐减弱进入弱空化阶段，小气泡分布均匀但稀疏，空化强度降低。

- 液体薄层内空化强度和均匀性优于大体积液体，有利于提高超声辅助工艺效率。

金属液薄层超声空化特性研究报告详尽分析

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1. 报告元数据与概览

• 标题：《Ultrasonic cavitation at liquid/solid interface in a thin Ga–In liquid layer with free surface》（超声空化在液/固界面薄Ga–In液态层中的研究）

- 作者：Zhengwei Li，Zhiwu Xu，Degang Zhao，Shu Chen，Jiuchun Yan

• 研究机构：哈尔滨工业大学先进焊接与连接国家重点实验室，中国哈尔滨

- 发表时间：未明确指出，但参考至2023年前后文献

• 研究主题：基于高频超声技术，针对薄层液态金属Ga–In合金中空化气泡的形成、演化及气泡动力学特征展开实验与模拟研究，探讨其物理机制及对相关工业应用（超声焊接、提取、化学反应等）的影响。

核心论点与目标：
本研究首次系统地通过高速摄影、有限元仿真、气泡动力学模型，结合实验环境下不同超声功率、基底材料等参数，详细揭示了薄层Ga–In液态合金内超声空化气泡的成核、生长、塌陷过程，并分析了液态层内声压场的时间空间分布规律。研究指出：

• 空化过程周期性与声波正负压阶段的紧密关联；

- 空化具有明显的强烈与弱空化阶段区分；

• 液层底部声压最大，空化最强；

- 超声功率与基底材质显著影响空化强度；

• 气泡生长速度快达16.8 m/s，实验与理论吻合良好。

此报告面向工业超声加工领域，意在为实现空化过程精确控制及高效利用提供理论基础和实验依据。[page::0,1]

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2. 逐章节深度解读

2.1 引言部分

• 关键内容：

- 空化定义（微气泡成核、振荡及坍塌）及其产生的极端局部温度、压力、微射流及冲击波现象。
- 空化广泛应用于超声清洗、萃取、声化学及机械腐蚀。
- 空化行为和精准调控难题驱动学术界对气泡特性的持续研究。
- 以水为基础介质的空化研究丰富，因为水透明易观测；而液态金属因物理化学性质不同，其空化特性更为复杂，观测难度大。
- 同步辐射X射线成像实现了在高温液态金属中的空化观测，但帧率与空间分辨率限制了对超短生命周期气泡的跟踪。
- 本文采用高速摄影突破以上限制，结合数值模拟，针对Ga–In薄液层空化展开全面研究。

• 逻辑与依据：

- 论述从基础定义延伸到技术手段革新需求，强调研究空化动力学的必要性。
- 引用国内外水体及金属液空化相关文献，建立研究历史脉络。

2.2 实验部分

• 使用Ga–In液态合金（3:1，熔点16℃）形成2~3mm薄液层，基底为纯铝和Q235B钢，尺寸90×40×3 mm。

- 超声设备：自制20 kHz频率，最大1000 W输出功率之TC4超声振子（直径20 mm）。

• 超声功率分为三档：Mode I (1/3功率)，Mode II (2/3功率)，Mode III (全功率)。

- 高速摄像机（Phantom VEO 719L）搭配微距镜头，光学参数与拍摄帧率（5000至120000 fps）优化取舍，兼顾视野与分辨率。

• 实验示意图（Fig. 1）清晰展现设备布局：超声振子、液态层、基底、玻璃池、摄像系统连接。

- 手工注射法将液态合金置入实验池，气泡初始含量与空间分布受此影响。

2.3 空化气泡特性与演化（3.1~3.4节）

3.1 气泡在一个声周期内演变（Fig. 2）

• 使用120,000 fps高速摄影捕获气泡生命周期。

- 观测结果：
- 气泡起始约50μm，迅速膨胀至300μm，生长速率约16.8 m/s，主要发生在负压阶段。
- 正压阶段快速收缩甚至塌陷，气泡几乎在一个周期T内完成成核、成长、崩溃全过程。
- 区域B气泡尺寸较大，推测因局部声强或空气含量差异。

• 逻辑依据：

- 声压的正负交替导致泡的伸展和塌缩；
- 与文献中水银（1 m/s）、Al–10%Cu合金（7 m/s）相比，薄层液态合金内声强更高，促成更快的泡增速。

3.2 空化过程时间演变（Fig. 3）

• 采用5000 fps低帧率更广域拍摄。

- 发现空化过程可区分为：
- 剧烈空化阶段（violent stage）：约持续370个声周期，气泡密度高于30%，气泡分布广，存在空化云。
- 弱空化阶段（weak stage）：剧烈阶段后气泡密度急降至不足10%，表现为稀疏及随机小气泡，缺乏空化云现象。

• 这种持续降低空化强度主要归因于气体耗尽（脱气）效应。

3.3 剧烈空化阶段气泡特征（Fig. 5）

• 捕捉5个周期内细节，观察大气泡塌陷同时新生大量细小气泡及空化云不断形成与崩解。

- 空化云尺寸>1 mm，寿命超过一个声周期，主要集中于液/固界面，靠近气体浓度高区域。

• 事实证实剧烈阶段为气体“排放”期，气泡增长/崩塌达到峰值。

3.4 弱空化阶段气泡特征（Fig. 6）

• 弱空化时，气泡明显减少，无空化云出现，气泡寿命短，大小更为随机。

- 气泡形态多为孤立，且生长与消失快速交替，长周期大气泡极少。

• 说明气体耗尽限制了空化强度，气泡形态接近稳定小气泡状态。

2.4 实验参数对空化的影响（3.5节）

• 超声功率（Fig. 7）：

- 功率越大，振幅越大，液层内声压越强，气泡密度和尺寸增大，空化云形成更频繁。

• 基底材料（Fig. 8）：

- 使用弹性模量更高的Q235B钢产生更强的振动，导致更高的声压和更强的空化表现（气泡密度达10%），显著优于纯铝(5.3%)。

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3. 图表深度解读

3.1 图1（实验示意）

• 展示实验装置组成，对实验流程理解至关重要。

3.2 图2（1T时间内气泡演化）

• 按时间节点画出气泡数和大小变化，结合声波相位揭示了负压阶段是气泡生成与生长的关键，正压阶段导致气泡塌陷，体现音波调控机制。

- 结合尺寸变化计算出极高的气泡生长速率16.8 m/s，是文献报告的水银及铝熔体中速率的2~10倍，说明薄层液态合金中超声作用环境的特殊性。

3.3 图3（空化过程演变）

• 长时间尺度内气泡密度的变化趋势（剧烈到弱空化阶段过渡）清晰，有力验证了实验中气体耗尽导致空化强度下降的假设。

3.4 图4（剧烈空化阶段持续时长）

• 不同功率与液层厚度对剧烈空化持续时间影响不显著，均长于250声周期，说明气体初始含量和分布为决定因素，这来自试样注射工艺。

3.5 图5（剧烈阶段5 T气泡演化）

• 展示空化云反复生成、合并、塌落的循环动态，体现了空化云作为微气泡集群的过程机理及其生命周期超过单个声周期。

3.6 图6（弱空化阶段5 T气泡演化）

• 反映气泡稀散、短寿命状态，表明气体耗尽后的空化完全不同表现，缺乏集群态空化云。

3.7 图7（不同功率下空化状态）

• 低功率仅有少量微小气泡，高功率则气泡分布扩展，体积增大，空化云产生频率提高，呼应声压幅度的增强。

3.8 图8（Q235B基底空化）

• 细密布满小至中等尺寸气泡，密度更大，证明材料剖面刚度显著影响超声空化性能。[page::1,2,3,4,5]

3.9 图9（有限元模拟网格及激励）

• 清晰展示仿真边界条件及振动载荷施加，有助理解仿真准确性。

3.10 图10（薄液中声压场随时间的二维分布）

• 以伪彩色显示声压从正压转负压再回正压，最大正负压分别在底部达到1.5 MPa和2.6 MPa，分布沿液层厚度递减。

- 声压空间分布非均匀，底部声压最大，与气泡数密度沿液层变化趋势吻合。

3.11 图11（从底部到表面声压与预测气泡密度）

• 声压绝对值随离底面距离增大而减小，预测气泡密度与之对应下降，说明近底表面空化最剧烈。

3.12 图12（不同功率底部振幅）

• 振幅在液池底部呈正弦波形，功率越大振幅峰值越高，最大18.3μm（Mode III），正比于声压及空化强度。

3.13 图13（不同功率下液中声压场及时间曲线）

• 声压幅值随功率增大从1.4 MPa增至超过2.1 MPa，同时周期波动规律一致，说明加功放大了振动传导到液层的振幅。

3.14 图14（不同位置声压力时间曲线）

• 曲线重合度高，证实各点声压幅值接近，说明液体声流耦合发生，使本地激振不足点仍获得较高空化能。

3.15 图15（不同基底材料底部振幅差异）

• Q235B因刚度大表现出比纯铝约高30%-40%的振幅峰值，导致更强空化。

3.16 图16（Q235B基底声压场）

• 最高声压达5 MPa，是纯铝的两倍，有效解释为该基底带来更高激振强度与空化能量。

3.17 图17（声压曲线拟合）

• 声压周期性近似正弦函数，偏置量约-9248 Pa，频率20 kHz，与加载超声一致。

3.18 图18（气泡生长速度计算）

• 结合改良Rayleigh–Plesset方程，模拟气泡半径变化率，得最大16.63 m/s，与实验速度16.8 m/s高度一致，理论和实验相互印证。

3.19 图19（空化演变示意）

• 用图示形象归纳空化过程：

(a) 初始状态存在气泡核
(b) 剧烈空化伴随气体脱除（空化云反复生长塌陷）
(c) 气体减少导致空化衰退
(d) 弱空化稳定阶段细小气泡存在。

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4. 估值分析（本研究无财务估值，转为技术参数量化分析）

本研究核心为超声空化特性实验数据与数值模拟参数：

• 声压场模拟：采用ANSYS+FLUENT有限元计算，输入材料弹性模量、密度、泊松比、超声功率相应振幅，计算超声传播及液态层中声压分布。

- 气泡动力学模型：基于修改Rayleigh–Plesset方程，结合拟合的正弦声压函数，计算气泡半径变化及生长速率，实现对实验观察气泡增长行为的理论验证。

该多尺度联合模拟与实验策略，为工业应用下空化强度预测与调控提供量化依据。

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5. 风险因素评估

• 气体含量不均匀风险：液态合金手工注射导致气泡初含量及界面气体分布不一致，直接影响剧烈空化持续时间及空化强度。

- 测量局限：高速摄影无法穿透更深层液体，可能忽视液体深层空化特征，观测仅限薄层近界面。

• 仿真简化：仿真假设材料各向同性且表面粗糙度恒定，实际加工中微观变化可能导致局部激振差异。

- 泡动力学模型简化：假设气泡脉动过程为等温过程，忽视气泡内部热力学非平衡态可能对气泡行为有微小影响。

• 外界条件影响：环境温度、液体成分变化未深入探讨，可能对声压传播及空化阈值产生影响。

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6. 审慎视角与细微差别

• 本文将剧烈空化阶段断定为“脱气阶段”，并未直接计量气体浓度变化，基于气泡密度推断，未来可辅以内部气体成分检测补充分证。

- 虽然3个功率档位的声压和振幅变化明显，但声压幅值与功率关系不是严格线性，潜在复杂超声传导与非线性效应需进一步研究。

• 气泡大小差异较大，报告中区分的A、B区声压及气体含量差异尚无直接量化数据。

- 液态金属与水体空化对比时，侧重速度和强度，未展开液态金属独特物理化学特性（如表面张力、黏度）对空化机理本质的影响探讨。

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7. 结论性综合

该报告通过结合高速摄影技术和多物理场数值模拟，针对薄层Ga–In液态金属中空化过程进行了系统深入的分析。主要发现包括：

• 空化过程严格随声波声压时序周期性交替：负压促进气泡成核与生长，正压则导致气泡回缩塌陷，表明声压调控是空化行为的驱动力。

- 剧烈空化阶段气泡密度>30%，以空化云及大气泡为特征，寿命持续上百声周期，属于气体脱除阶段；弱空化阶段则气泡稀疏，密度降至<10%，以微小快速消亡气泡为主，体现气体消耗殆尽后的稳定态。

• 通过仪器和模拟测得的最大声压达到2-5 MPa，远高于传统液态金属系统，实现了高强度空化。

- 不同超声功率档位与基底材料显著影响振幅与声压，最高功率及高弹性模量基底下实现最强空化。

• 气泡动力学模型计算的气泡增长速率（16.6 m/s）与高速拍摄的实验结果（16.8 m/s）高度吻合，验证了理论模型的适用性。

- 报告为超声空化在超薄液态金属薄层中的特性机制提供了详尽的实验数据和计算模型，为相关工业领域（超声焊接、材料制备、提取技术等）空化调控与优化提供了科学依据和技术指导。

综上，作者明确展现了超声空化过程的物理机理，确立了薄层液态金属内声压-气泡行为模型，提出优化参数（功率、基底材质等），该研究意义重大、方法严谨、数据丰富、结论可靠，具有较高的学术和应用价值。[page::0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11]

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附：重要图表链接

• 图1（实验装置示意）：

- 图2（一周期内气泡演化）：

• 图3（空化演进过程）：

- 图4（剧烈空化持续时长）：

• 图5（剧烈阶段5个周期气泡细节）：

- 图6（弱空化阶段5个周期气泡细节）：

• 图7（不同功率空化状态）：

- 以及相关声压场、振幅及模型图（页5-10）

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本分析以报告内容为唯一依据，详实解读每个关键论点、数据、实验设计及理论基础，助力深刻理解超声空化薄液层内物理机理。

报告