超聲空化
關注創建者：琳泓comsol 創建時間：2021-01-06
超聲空化的實例教程
Comsol超聲空化仿真分析氣泡運動 ￥2200
超聲空化是一種重要的物理機理。超聲空化是指液體介質中的微小氣泡核在強超聲波的作用下,氣泡體積經歷生長振蕩而最終迅速崩潰的過程。在超聲空化氣泡的崩潰過程中,會在非常有限的體積內瞬間產生巨大的壓力梯度和溫度梯度,從而引發系列的化學、物理和生物等效應,如對金屬表面的腐蝕,光脈沖輻射的產生,化學反應速率的加快,生物組織結構的改變等。超聲空化過程是眾多空化氣泡的動力學過程,對單一空化氣泡的動態過程研究不僅是研究多個氣泡空化的起點,而且是研究系列超聲空化現象的基礎。
其主要的控制方程如下：
本模型調用系數型邊界偏微分方程和動網格，展示了氣泡在超聲空化過程中的變化：
兩個周期振蕩過程中，氣泡的半徑與初始半徑比值的動態變化。
這是氣泡動能的變化 ，相比較，隨著振動周期，氣泡動能也在增加。
有興趣的可以加我，交流模型。
展開 近日，浙江大學申有青教授和黃品同教授團隊聯合研發了一種超聲空化級聯胞吞轉運的相變脂質體（SCGLN），其具有在超聲波刺激下由納米脂質液滴轉變為脂質微泡、又從脂質微泡轉變為納米脂質體的粒徑轉變特性，同時具有在腫瘤微酸環境催化下由荷帶負電勢轉變為正電勢的電荷反轉特性，其能夠增強實體瘤的藥物富集和深部滲透，普適高效治療低滲透性腫瘤。SCGLN由脂質材料二棕櫚酰磷脂酰膽堿、二硬脂酰基磷脂酰乙醇胺-聚乙二醇、二甲基馬來酸酐修飾的1, 2-二油酰基-sn-甘油-3-磷酸乙醇胺-賴氨酸和反油酸吉西他濱（既是脂質膜組分又是抗腫瘤藥物）組成，并包裹全氟戊烷液滴（圖1A）。經尾靜脈注射后，在腫瘤部位超聲輻照（功率2 W/cm2、頻率3 MHz、占空比 50% ），全氟戊烷在超聲誘導下液氣相變，使納米脂質液滴狀態的SCGLN轉變為脂質微泡狀態的SCGLN，此時微泡的超聲空化效應打破腫瘤血管內皮屏障、擴張內皮間隙，同時微泡破裂后的脂質膜碎片重新組裝成更小粒徑的納米脂質體SCGLN，SCGLN隨后經被擴張的內皮間隙進入腫瘤組織，在腫瘤微酸環境中發生電荷反轉實現陽離子化，SCGLN最后以陽離子化誘導的胞吞轉運方式不斷跨腫瘤細胞主動運輸到腫瘤實質，實現吉西他濱的腫瘤深部滲透遞藥（圖1B）。
圖1. SCGLN的構建、響應機理和遞藥機制示意圖。
展開 作者Cadence CFD 解決方案
關鍵要點
流體動力空化是流體介質在非常低的壓力下的破裂。
流體動力空化涉及三種機制：成核、氣泡生長和氣泡內爆。
流體動力空化用于聚合和解聚、微生物細胞破碎和脂肪酸水解。
渦輪機是水動力空化應用的一個例子
我們使用各種機器來引起流體的壓力和速度變化。這些機器的一些常見示例是渦輪機、螺旋槳、泵和軸承。在這些機器中，只要機器中使用的流體經歷壓力和速度波動，就會發生氣蝕。流體動力空化是當低壓區域在流體裝置中發展并形成蒸汽空腔時發生的一種空化。
空化
泵、軸承和螺旋槳都使用與其運行相關的流體。每當流體的壓力和速度波動時，流體中就會產生空化現象。在空化中，壓力在恒定的環境溫度下下降到較低水平。
空化是一種兩相流體流動現象。通常，使用自由流空化數來描述空化。該數字是流體流動的靜壓頭與其動壓頭之比。
有趣的事實： 當在山頂使用水壺時，氣穴現象是在較低溫度下煮水的原理的背后原因。
氣蝕類型
空化用于廢水處理、藥物輸送、巖石切割、鋼板切割、船用螺旋槳和閥門等。通常，空化包括氣泡或空腔的產生、生長和快速破裂。空腔的坍塌會引起諸如高剪切力、極端溫度、沖擊波、湍流和流體中的極端壓力等影響。
在四種類型（粒子、光學、超聲波、流體動力）中，后兩種類型的空化被廣泛使用。
超聲波空化 -超聲波空化是由于超聲波在流體中傳播引起的壓力波動而產生的。超聲空化有時稱為聲空化。
流體動力空化 -在流體動力空化中，運動中的流體在速度剖面上發生快速變化，這會導致局部壓降。
展開 超聲輔助激光熔覆利用高能超聲波在熔體中產生的非線性效應，如超聲空化和聲流效應等，來改善熔池內增強體與熔體的潤濕性，促使增強體在熔體中均勻分布。同時，聲流攪拌作用將空化效應產生的晶核擴散至整個熔池中，有效提高了形核率，均化了溫度梯度和成分分布，降低了偏析程度。這種結合了激光熔覆和超聲振動的技術，可以提高熔覆層的質量和性能。
本案例展示了超聲輔助下激光熔覆的動態過程，仿真結果如圖所示：
該仿真模型考慮了溫度場+流場+超聲場+動網格技術，感興趣的朋友，歡迎交流合作！
02
超聲波分散法
超聲波分散是一種強度很高的物理分散手段，是把所需處理的顆粒懸浮液直接置于超聲場中，控制恰當的超聲波頻率及作用時間致使顆粒充分分散。利用超聲空化時產生的局部高溫、高壓或強沖擊波和微射流等，弱化微粒間的微粒作用能，可有效地防止微粒的團聚。
超聲波用于微粒懸浮夜的分散，雖然效果很好，但存在的問題是：一旦停止超聲波振蕩，仍有可能使微粒再度團聚；超聲波處理一定時間后，顆粒的粒度不能再進一步減小，繼續處理也會重新引起顆粒的團聚；且超聲波對極細小的顆粒微粒分散效果并不理想。
化學分散法
納米陶瓷粉體的化學分散機制主要包括雙電層（靜電）穩定機制、空間位阻穩定機制和靜電位阻穩定機制。
01
雙電層（靜電）穩定機制
靜電穩定是指通過調節pH值和外加電解質等方法，使顆粒表面電荷增加，形成雙電層，通過Zeta電位增加使顆粒產生靜電斥力，實現體系的穩定。體系的穩定是通過范德華引力能與雙電層斥力能的平衡來實現的。
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超聲空化的最新內容
超聲輔助激光熔覆利用高能超聲波在熔體中產生的非線性效應，如超聲空化和聲流效應等，來改善熔池內增強體與熔體的潤濕性，促使增強體在熔體中均勻分布。同時，聲流攪拌作用將空化效應產生的晶核擴散至整個熔池中，有效提高了形核率，均化了溫度梯度和成分分布，降低了偏析程度。這種結合了激光熔覆和超聲振動的技術，可以提高熔覆層的質量和性能。
超聲空化有時稱為聲空化。
流體動力空化 -在流體動力空化中，運動中的流體在速度剖面上發生快速變化，這會導致局部壓降。
流體動力空化
流體動力空化是一種空化現象，涉及液體介質內部蒸汽空穴的發展。與由于超聲波通過時流體的壓縮和膨脹引起的超聲空化不同，流體動力空化是由流動流體的靜壓下降引起的。
利用超聲空化時產生的局部高溫、高壓或強沖擊波和微射流等，弱化微粒間的微粒作用能，可有效地防止微粒的團聚。
這是因為在超聲激活PTFE過程中，超聲波能夠促使汽泡的形成和崩塌，而瞬間崩塌的超聲空化氣泡又能產生極端高壓（約100 Mpa）和電場（約100 kV/m）。
功率超聲的空化效應為降解水中有害有機物提供了獨特的物理化學環境從而導致超聲波污水處理目的的實現。超聲空化泡的崩潰所產生的高能量足以斷裂化學鍵。在水溶液中，空化泡崩潰產生氫氧基和氫基，同有機物發生氧化反應。
該研究針對納米藥物在低滲透性腫瘤富集低和滲透差的問題，提出超聲空化效應級聯胞吞轉運作用克服血管內皮細胞/腫瘤微環境屏障的主動運輸策略，增強納米藥物的腫瘤富集和深部滲透，普適提高納米藥物對低滲透性腫瘤的治療效果。
超聲空化是一種重要的物理機理。超聲空化是指液體介質中的微小氣泡核在強超聲波的作用下,氣泡體積經歷生長振蕩而最終迅速崩潰的過程。在超聲空化氣泡的崩潰過程中,會在非常有限的體積內瞬間產生巨大的壓力梯度和溫度梯度,從而引發系列的化學、物理和生物等效應,如對金屬表面的腐蝕,光脈沖輻射的產生,化學反應速率的加快,生物組織結構的改變等。
超聲碎石效果實驗 (左側為術前、右側為術后，超聲空化引起的空泡潰滅在人工石表面產生了許多的剝落凹坑)
除了工程領域，自然界中也有許多的現象與空泡相關，影響著許多水生動物的行為。很容易想到的，許多大型的哺乳動物或魚類，游動速度能夠超過15m/s，尾鰭處可能會產生空泡，也會出現類似空蝕的效果。有報道稱，海豚游動的速度限制主要來自于空化，因為空泡潰滅會讓它們覺得很痛。
