超聲空化的案例
Comsol超聲空化仿真分析氣泡運(yùn)動(dòng) ￥2200
超聲空化是一種重要的物理機(jī)理。超聲空化是指液體介質(zhì)中的微小氣泡核在強(qiáng)超聲波的作用下,氣泡體積經(jīng)歷生長(zhǎng)振蕩而最終迅速崩潰的過(guò)程。在超聲空化氣泡的崩潰過(guò)程中,會(huì)在非常有限的體積內(nèi)瞬間產(chǎn)生巨大的壓力梯度和溫度梯度,從而引發(fā)系列的化學(xué)、物理和生物等效應(yīng),如對(duì)金屬表面的腐蝕,光脈沖輻射的產(chǎn)生,化學(xué)反應(yīng)速率的加快,生物組織結(jié)構(gòu)的改變等。超聲空化過(guò)程是眾多空化氣泡的動(dòng)力學(xué)過(guò)程,對(duì)單一空化氣泡的動(dòng)態(tài)過(guò)程研究不僅是研究多個(gè)氣泡空化的起點(diǎn),而且是研究系列超聲空化現(xiàn)象的基礎(chǔ)。
其主要的控制方程如下：
本模型調(diào)用系數(shù)型邊界偏微分方程和動(dòng)網(wǎng)格，展示了氣泡在超聲空化過(guò)程中的變化：
兩個(gè)周期振蕩過(guò)程中，氣泡的半徑與初始半徑比值的動(dòng)態(tài)變化。
這是氣泡動(dòng)能的變化 ，相比較，隨著振動(dòng)周期，氣泡動(dòng)能也在增加。
有興趣的可以加我，交流模型。
展開(kāi) 浙江大學(xué)黃品同教授和申有青教授團(tuán)隊(duì)AFM：首個(gè)超聲空化級(jí)聯(lián)胞吞轉(zhuǎn)運(yùn)的相變脂質(zhì)體，普適高效治療低滲透性腫瘤
近日，浙江大學(xué)申有青教授和黃品同教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合研發(fā)了一種超聲空化級(jí)聯(lián)胞吞轉(zhuǎn)運(yùn)的相變脂質(zhì)體（SCGLN），其具有在超聲波刺激下由納米脂質(zhì)液滴轉(zhuǎn)變?yōu)橹|(zhì)微泡、又從脂質(zhì)微泡轉(zhuǎn)變?yōu)榧{米脂質(zhì)體的粒徑轉(zhuǎn)變特性，同時(shí)具有在腫瘤微酸環(huán)境催化下由荷帶負(fù)電勢(shì)轉(zhuǎn)變?yōu)檎妱?shì)的電荷反轉(zhuǎn)特性，其能夠增強(qiáng)實(shí)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(zhì)材料二棕櫚酰磷脂酰膽堿、二硬脂?；字Ｒ掖及?聚乙二醇、二甲基馬來(lái)酸酐修飾的1, 2-二油?；?sn-甘油-3-磷酸乙醇胺-賴(lài)氨酸和反油酸吉西他濱（既是脂質(zhì)膜組分又是抗腫瘤藥物）組成，并包裹全氟戊烷液滴（圖1A）。經(jīng)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(dǎo)下液氣相變，使納米脂質(zhì)液滴狀態(tài)的SCGLN轉(zhuǎn)變?yōu)橹|(zhì)微泡狀態(tài)的SCGLN，此時(shí)微泡的超聲空化效應(yīng)打破腫瘤血管內(nèi)皮屏障、擴(kuò)張內(nèi)皮間隙，同時(shí)微泡破裂后的脂質(zhì)膜碎片重新組裝成更小粒徑的納米脂質(zhì)體SCGLN，SCGLN隨后經(jīng)被擴(kuò)張的內(nèi)皮間隙進(jìn)入腫瘤組織，在腫瘤微酸環(huán)境中發(fā)生電荷反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)陽(yáng)離子化，SCGLN最后以陽(yáng)離子化誘導(dǎo)的胞吞轉(zhuǎn)運(yùn)方式不斷跨腫瘤細(xì)胞主動(dòng)運(yùn)輸?shù)侥[瘤實(shí)質(zhì)，實(shí)現(xiàn)吉西他濱的腫瘤深部滲透遞藥（圖1B）。
圖1. SCGLN的構(gòu)建、響應(yīng)機(jī)理和遞藥機(jī)制示意圖。
展開(kāi) 流體動(dòng)力空化：機(jī)制和應(yīng)用
作者Cadence CFD 解決方案
關(guān)鍵要點(diǎn)
流體動(dòng)力空化是流體介質(zhì)在非常低的壓力下的破裂。
流體動(dòng)力空化涉及三種機(jī)制：成核、氣泡生長(zhǎng)和氣泡內(nèi)爆。
流體動(dòng)力空化用于聚合和解聚、微生物細(xì)胞破碎和脂肪酸水解。
渦輪機(jī)是水動(dòng)力空化應(yīng)用的一個(gè)例子
我們使用各種機(jī)器來(lái)引起流體的壓力和速度變化。這些機(jī)器的一些常見(jiàn)示例是渦輪機(jī)、螺旋槳、泵和軸承。在這些機(jī)器中，只要機(jī)器中使用的流體經(jīng)歷壓力和速度波動(dòng)，就會(huì)發(fā)生氣蝕。流體動(dòng)力空化是當(dāng)?shù)蛪簠^(qū)域在流體裝置中發(fā)展并形成蒸汽空腔時(shí)發(fā)生的一種空化。
空化
泵、軸承和螺旋槳都使用與其運(yùn)行相關(guān)的流體。每當(dāng)流體的壓力和速度波動(dòng)時(shí)，流體中就會(huì)產(chǎn)生空化現(xiàn)象。在空化中，壓力在恒定的環(huán)境溫度下下降到較低水平。
空化是一種兩相流體流動(dòng)現(xiàn)象。通常，使用自由流空化數(shù)來(lái)描述空化。該數(shù)字是流體流動(dòng)的靜壓頭與其動(dòng)壓頭之比。
有趣的事實(shí)： 當(dāng)在山頂使用水壺時(shí)，氣穴現(xiàn)象是在較低溫度下煮水的原理的背后原因。
氣蝕類(lèi)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(mén)等。通常，空化包括氣泡或空腔的產(chǎn)生、生長(zhǎng)和快速破裂?？涨坏奶鷷?huì)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(lèi)型（粒子、光學(xué)、超聲波、流體動(dòng)力）中，后兩種類(lèi)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(dòng)而產(chǎn)生的。超聲空化有時(shí)稱(chēng)為聲空化。
流體動(dòng)力空化 -在流體動(dòng)力空化中，運(yùn)動(dòng)中的流體在速度剖面上發(fā)生快速變化，這會(huì)導(dǎo)致局部壓降。
展開(kāi) 超聲輔助激光熔覆數(shù)值仿真
超聲輔助激光熔覆利用高能超聲波在熔體中產(chǎn)生的非線性效應(yīng)，如超聲空化和聲流效應(yīng)等，來(lái)改善熔池內(nèi)增強(qiáng)體與熔體的潤(rùn)濕性，促使增強(qiáng)體在熔體中均勻分布。同時(shí)，聲流攪拌作用將空化效應(yīng)產(chǎn)生的晶核擴(kuò)散至整個(gè)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(jié)合了激光熔覆和超聲振動(dòng)的技術(shù)，可以提高熔覆層的質(zhì)量和性能。
本案例展示了超聲輔助下激光熔覆的動(dòng)態(tài)過(guò)程，仿真結(jié)果如圖所示：
該仿真模型考慮了溫度場(chǎng)+流場(chǎng)+超聲場(chǎng)+動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)，感興趣的朋友，歡迎交流合作！
納米陶瓷粉體的分散研究
02
超聲波分散法
超聲波分散是一種強(qiáng)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(chǎng)中，控制恰當(dāng)?shù)某暡l率及作用時(shí)間致使顆粒充分分散。利用超聲空化時(shí)產(chǎn)生的局部高溫、高壓或強(qiáng)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(tuán)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(wèn)題是：一旦停止超聲波振蕩，仍有可能使微粒再度團(tuán)聚；超聲波處理一定時(shí)間后，顆粒的粒度不能再進(jìn)一步減小，繼續(xù)處理也會(huì)重新引起顆粒的團(tuán)聚；且超聲波對(duì)極細(xì)小的顆粒微粒分散效果并不理想。
化學(xué)分散法
納米陶瓷粉體的化學(xué)分散機(jī)制主要包括雙電層（靜電）穩(wěn)定機(jī)制、空間位阻穩(wěn)定機(jī)制和靜電位阻穩(wěn)定機(jī)制。
01
雙電層（靜電）穩(wěn)定機(jī)制
靜電穩(wěn)定是指通過(guò)調(diào)節(jié)pH值和外加電解質(zhì)等方法，使顆粒表面電荷增加，形成雙電層，通過(guò)Zeta電位增加使顆粒產(chǎn)生靜電斥力，實(shí)現(xiàn)體系的穩(wěn)定。體系的穩(wěn)定是通過(guò)范德華引力能與雙電層斥力能的平衡來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
展開(kāi) 神奇的泡泡---空泡
超聲清洗是最常見(jiàn)的應(yīng)用方式，我們洗眼鏡用到的超聲清洗機(jī)、刷牙時(shí)用的聲波震動(dòng)式電動(dòng)牙刷，都是用超聲波的方式在水中產(chǎn)生大量小空泡，利用空泡潰滅的壓力來(lái)剝落污垢的。醫(yī)學(xué)領(lǐng)域目前已可以廣泛用于碎石（下圖）、吸脂、殺菌、造影、藥物輸運(yùn)、溶栓治療等等。如下為超聲碎石效果實(shí)驗(yàn)對(duì)比圖。
超聲碎石效果實(shí)驗(yàn) (左側(cè)為術(shù)前、右側(cè)為術(shù)后，超聲空化引起的空泡潰滅在人工石表面產(chǎn)生了許多的剝落凹坑)
除了工程領(lǐng)域，自然界中也有許多的現(xiàn)象與空泡相關(guān)，影響著許多水生動(dòng)物的行為。很容易想到的，許多大型的哺乳動(dòng)物或魚(yú)類(lèi)，游動(dòng)速度能夠超過(guò)15m/s，尾鰭處可能會(huì)產(chǎn)生空泡，也會(huì)出現(xiàn)類(lèi)似空蝕的效果。有報(bào)道稱(chēng)，海豚游動(dòng)的速度限制主要來(lái)自于空化，因?yàn)榭张轁鐣?huì)讓它們覺(jué)得很痛。而金槍魚(yú)因?yàn)槲馋捠枪琴|(zhì)的，沒(méi)有神經(jīng)和疼痛感，據(jù)稱(chēng)瞬時(shí)最高時(shí)速能夠達(dá)到160km/h。也有學(xué)者觀察到金槍魚(yú)尾鰭上由于空蝕形成的小坑。（“dolphins swim so fast it hurts”, New scientists, 2008）
相比魚(yú)類(lèi)的痛苦不堪，許多聰明的蝦類(lèi)反而把空泡作為他們絕妙的武器。擁有巨大錘肢的雀尾螳螂蝦（peacock Mantis Shrimp，跟美味的皮皮蝦是同類(lèi)）雖然外表很漂亮，但當(dāng)它用巨大的肢端擊打獵物時(shí)，沖擊效果能夠產(chǎn)生空泡并利用潰滅高壓來(lái)攻擊，這一方式能夠輕易的擊碎蟹殼（“Deadly strike mechanism of a mantis shrimp”, Nature, 2004）。大家可以回顧篇首提到的手槍蝦，仿佛自帶武器一般，是不是立馬覺(jué)得它們像個(gè)危險(xiǎn)分子。喜歡養(yǎng)此類(lèi)蝦的同學(xué)們要注意了，小心水族箱被擊碎哦。
雀尾螳螂蝦用錘肢打擊貝殼產(chǎn)生空泡潰滅現(xiàn)象（圖片來(lái)自互聯(lián)網(wǎng)）
轉(zhuǎn)載自公眾號(hào)：中科院力學(xué)所
作者：王一偉 中科院流固耦合系統(tǒng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員
展開(kāi) ：超聲激活聚四氟乙烯壓電催化活性
研究顯示，對(duì)PTFE駐極體進(jìn)行連續(xù)超聲輻照可產(chǎn)生ROS，并且其產(chǎn)生速率顯著高于已見(jiàn)報(bào)道的壓電催化劑。該項(xiàng)研究顛覆了人們對(duì)惰性PTFE的認(rèn)知，也開(kāi)辟了惰性PTFE在環(huán)境污染治理、殺菌消毒領(lǐng)域的新應(yīng)用。
PTFE的活化過(guò)程及機(jī)制：PTFE化學(xué)性質(zhì)極其穩(wěn)定，被廣泛應(yīng)用于嚴(yán)苛條件下的工業(yè)裝備、實(shí)驗(yàn)設(shè)備、醫(yī)療器械及家用廚房用品等。同時(shí)PTFE作為一種典型的非極性聚合物駐極體材料，能夠長(zhǎng)期存儲(chǔ)電荷并具有巨大的壓電系數(shù)。研究人員在一次實(shí)驗(yàn)中偶然發(fā)現(xiàn)，PTFE在超聲作用下具有良好的壓電催化性能。因此，研究人員對(duì)PTFE顆粒以及薄膜進(jìn)行超聲輻照，再利用壓電力顯微鏡（PFM）來(lái)檢測(cè)被活化的PTFE的壓電性能。PFM表征顯示，被超聲輻照的PTFE可誘導(dǎo)產(chǎn)生強(qiáng)大的局部壓電性能。這是因?yàn)樵?em>超聲激活PTFE過(guò)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(chǎn)生極端高壓（約100 Mpa）和電場(chǎng)（約100 kV/m）。這些瞬態(tài)、高頻的超高超聲壓力可以使PTFE產(chǎn)生永久的結(jié)構(gòu)缺陷（結(jié)構(gòu)電荷）；另一方面，并發(fā)產(chǎn)生的電場(chǎng)能夠極化PTFE的缺陷進(jìn)而產(chǎn)生極化電荷并被俘獲在PTFE結(jié)構(gòu)缺陷里，最終形成壓電駐極體（圖2）。
圖2 超聲活化PTFE示意圖
進(jìn)一步，本研究通過(guò)施加外力并測(cè)量開(kāi)路電壓來(lái)揭示 PTFE 駐極體的壓電特性（圖 3a、b）。隨著外加壓力從 0.156 增加到 0.624 N/cm2，開(kāi)路電壓從 0.5 V增加到 1.8 V。此外，活化的PTFE膜在超聲波的作用下能產(chǎn)生可重現(xiàn)的壓電電壓（圖 3c）。
展開(kāi) 幾種化工廢水處理方法，看完豁然開(kāi)朗
功率超聲的空化效應(yīng)為降解水中有害有機(jī)物提供了獨(dú)特的物理化學(xué)環(huán)境從而導(dǎo)致超聲波污水處理目的的實(shí)現(xiàn)。超聲空化泡的崩潰所產(chǎn)生的高能量足以斷裂化學(xué)鍵。在水溶液中，空化泡崩潰產(chǎn)生氫氧基和氫基，同有機(jī)物發(fā)生氧化反應(yīng)。空化獨(dú)特的物理化學(xué)環(huán)境開(kāi)辟了新的化學(xué)反應(yīng)途徑，驟增化學(xué)反應(yīng)速度，對(duì)有機(jī)物有很強(qiáng)的降解能力，經(jīng)過(guò)持續(xù)超聲可以將有害有機(jī)物降解為無(wú)機(jī)離子、水、二氧化碳或有機(jī)酸等無(wú)毒或低毒的物質(zhì)。
5、磁分離法
磁分離法，是通過(guò)向化工污水中投加磁種和混凝劑，利用磁種的剩磁，在混凝劑同時(shí)作用下，使顆粒相互吸引而聚結(jié)長(zhǎng)大，加速懸浮物的分離，然后用磁分離器除去有機(jī)污染物，國(guó)外高梯度磁分離技術(shù)已從實(shí)驗(yàn)室走向應(yīng)用。
磁分離技術(shù)應(yīng)用于廢水處理有三種方法：直接磁分離法、間接磁分離法和微生物—磁分離法。利用磁技術(shù)處理廢水主要利用污染物的凝聚性和對(duì)污染物的加種性。凝聚性是指具有鐵磁性或順磁性的污染物，在磁場(chǎng)作用下由于磁力作用凝聚成表面直徑增大的粒子而后除去。加種性是指借助于外加磁性種子以增強(qiáng)弱順磁性或非磁性污染物的磁性而便于用磁分離法除去；或借助外加微生物來(lái)吸附廢水中順磁性離子，再用磁分離法除去離子態(tài)順磁性污染物。
高梯度磁分離處理法是磁分離技術(shù)之一。利用磁場(chǎng)中磁化基質(zhì)的感應(yīng)磁場(chǎng)和高梯度磁場(chǎng)所產(chǎn)生的磁力從廢水中分離出顆粒狀污染物或提取有用物質(zhì)的方法。磁分離器可分為永磁分離器和電磁分離器兩類(lèi)，每類(lèi)又有間歇式和連續(xù)式之分。
展開(kāi) 