空化現(xiàn)象是一種由液體中形成的空穴崩潰所產(chǎn)生的現(xiàn)象，這一過程會伴隨高溫、高壓、放電、發(fā)光和激震波等特征。空穴的形成可能由多種因素引發(fā)，如強烈的超聲波照射、爆炸時的激震、高速流體沖激摩擦或劇烈的化學反應(yīng)等。空化現(xiàn)象在多個領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用，如促進化學反應(yīng)、粉碎液內(nèi)懸浮物、制造乳劑、殺滅細菌或清洗機件等。
特征及原理
特征
空化現(xiàn)象的特點是在液體中形成的空穴崩潰時，會產(chǎn)生高溫、高壓、放電、發(fā)光和激震波等現(xiàn)象。
原理
超聲波空化作用是指存在于液體中的微氣核空化泡在聲波的作用下振動，當聲壓達到一定值時發(fā)生的生長和崩潰的動力學過程?？栈饔靡话惆ㄈ齻€階段：空化泡的形成、長大和劇烈的崩潰。當盛滿液體的容器通入超聲波后，由于液體振動而產(chǎn)生數(shù)以萬計的微小氣泡，即空化泡。這些氣泡在超聲波縱向傳播形成的負壓區(qū)生長，而在正壓區(qū)迅速閉合，從而在交替正負壓強下受到壓縮和拉伸。在氣泡被壓縮直至崩潰的一瞬間，會產(chǎn)生巨大的瞬時壓力，一般可達幾十兆帕至上百兆帕。研究表明，空化可使氣相反應(yīng)區(qū)的溫度達到約5,200 K，液相反應(yīng)區(qū)的有效溫度達到約1,900 K，局部壓力在5.05 × 10 kPa，溫度變化率高達10 K/s，并伴有強烈的沖擊波和時速達400 km的微射流。這種巨大的瞬時壓力能使懸浮在液體中的固體表面受到急劇的破壞。通常將超聲波空化分為穩(wěn)態(tài)空化和瞬態(tài)空化兩種類型：穩(wěn)態(tài)空化是指在聲強較低（一般小于10 W/cm）時產(chǎn)生的空化泡，其大小在其平衡尺寸附近振蕩，生成周期達數(shù)個循環(huán)。當擴大到使其自身共振頻率與聲波頻率相等時，發(fā)生聲場與氣泡的最大能量耦合，產(chǎn)生明顯的空化作用。瞬態(tài)空化則是指在較大的聲強（一般大于10 W/cm）作用下產(chǎn)生的生存周期較短的空化泡（大都發(fā)生在1個聲波周期內(nèi)）。
應(yīng)用
超聲波廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域，得益于其空化作用及其伴隨的機械效應(yīng)、熱效應(yīng)、化學效應(yīng)、生物效應(yīng)等。機械效應(yīng)和化學效應(yīng)的應(yīng)用，前者主要表現(xiàn)為非均相反應(yīng)界面的增大；后者主要是因為空化過程中產(chǎn)生的高溫高壓導致有機高分子化合物分解、化學鍵斷裂和產(chǎn)生自由基等。利用機械效應(yīng)的過程包括吸附、結(jié)晶、電化學、非均相化學反應(yīng)、過濾以及超聲清洗等，利用化學效應(yīng)的過程主要包括有機化合物降解、高分子化學反應(yīng)以及其他自由基反應(yīng)。
影響因素
超聲波空化作用的強弱受聲學參數(shù)和液體的物理化學性質(zhì)的影響。具體而言：
- 超聲波強度：超聲波強度指單位面積上的超聲功率，空化作用的產(chǎn)生與其相關(guān)。對于一般液體，超聲波強度增加時，空化強度增大，但達到一定值后，空化趨于飽和，此時再增加超聲波強度則會產(chǎn)生大量無用氣泡，從而增加了散射衰減，降低了空化強度。
- 超聲波頻率：超聲波頻率越低，在液體中產(chǎn)生空化越容易。也就是說，要引起空化，頻率愈高，所需要的聲強愈大。例如，在水中產(chǎn)生空化，超聲波頻率在400 kHz時所需的功率要比在10 kHz時大10倍，即空化隨頻率的升高而降低。一般采用的頻率范圍為20至40 kHz。
- 液體的表面張力與黏滯系數(shù)：液體的表面張力越大，空化強度越高，越不易于產(chǎn)生空化。黏滯系數(shù)大的液體難以產(chǎn)生空化泡，且傳播過程中損失也大，因此同樣不易產(chǎn)生空化。
- 液體的溫度：液體溫度越高，對空化的產(chǎn)生越有利，但溫度過高時，氣泡中蒸汽壓增大，因此氣泡閉合時增強了緩沖作用而使空化減弱。
參考資料 >
水力空化發(fā)生裝置的研究的任務(wù)書.豆丁網(wǎng).2024-10-24
空化、空蝕和超空泡.豆丁網(wǎng).2024-10-24
空化現(xiàn)象及應(yīng)用(論文資料).豆丁網(wǎng).2024-10-24