基于超声空化的振动边界作用流场的数值模拟

论文摘要

由聚焦高频超声换能器产生的超声空化在众多领域都能得到应用，包括医学治疗、工业清洗及污水处理等。超声空化在现代医学，尤其是肿瘤治疗中的应用，是这方面研究的前沿。超声（高频振动）诱导的空化流场中存在的高度非线性问题加大了理论分析和数值计算的难度。本论文利用计算流体力学方法，完成了低频和高频振动边界作用流场各主要参数分布情况的数值模拟。建立了三种振动模式模型，分别为活塞式往复振动、薄膜式变形振动和球面聚焦式变形振动，求解三种边界运动引起的流场分布及变化。模拟了低频（10Hz-100Hz）振动和高频（1MHz）聚焦振动两种作用形式，其中低频为机械振动，使用流体体积函数（VOF）模型，高频模拟基于超声声源振动，计算域使用空化模型。对于频率在10Hz到100Hz范围的低频振动，模拟并比较了不同振幅和不同振动频率的动边界对周围液体流动的不同影响，分析得到了流场的压力、速度分布。自行设计和搭建了低频机械振动实验台，并在此基础上进行了荧光示踪粒子测速（PIV）实验，将实验所得速度场结果与数值模拟结果对比，验证了数值计算结果的有效性以及数值计算方法，即动网格法的可靠性。而后将计算模型振动频率提高为高频，且采用聚焦球面振动模型，模拟了聚焦超声换能器作用流场的流动。计算结果包括了相应的压力、速度和空化参数分布，讨论了流场中不同截面上参数分布的特征和规律，分析得到了关于聚焦效果和空化初生的评估，基于分析结果的结论对机理性实验和临床有一定的指导意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及意义
• 1.2 国内外相关研究进展
• 1.2.1 单泡的数值研究
• 1.2.2 多泡的数值研究
• 1.2.3 声场的数值研究
• 1.2.4 动边界的数值模拟
• 1.3 声场物理机理
• 1.4 超声空化
• 1.5 论文主要内容
• 第2章 多相流的数值模拟
• 2.1 VOF 方法
• 2.2 空化模型
• 2.3 本章小结
• 第3章 动网格概述及其应用
• 3.1 任意拉格朗日-欧拉方法
• 3.1.1 ALE 的运动学描述
• 3.1.2 ALE 法中的控制方程
• 3.2 动网格的实现方法和参数设置
• 3.2.1 弹簧光顺模型
• 3.2.2 动态层模型
• 3.2.3 网格重构模型
• 3.3 计算中使用动网格实例
• 3.3.1 活塞式往复振动
• 3.3.2 薄膜变形式振动
• 3.3.3 球面聚焦式振动
• 3.4 本章小结
• 第4章 机械振动作用下的流动计算
• 4.1 机械振动实验台
• 4.1.1 水箱
• 4.1.2 原动电机
• 4.1.3 连杆机构
• 4.2 PIV 实验及结果
• 4.2.1 PIV 实验系统
• 4.2.2 实验结果
• 4.3 数值模拟模型
• 4.4 计算结果分析
• 4.4.1 不同振幅的流场分布
• 4.4.2 不同频率的流场分布
• 4.4.3 两种振动形式的比较
• 4.4.4 速度场随时间变化
• 4.4.5 速度场验证
• 4.5 本章小结
• 第5章 高频聚焦换能器作用流场的模拟
• 5.1 应用背景
• 5.2 计算模型的建立
• 5.3 计算结果分析
• 5.3.1 轴线上参数分布
• 5.3.2 纵截面上参数分布
• 5.4 本章小结
• 第6章 结论
• 6.1 论文主要研究成果
• 6.2 研究工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录 定义动边界的 UDF 程序
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果