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科技|弱不禁风的小气泡，却拥有危及一座大坝的“超能力”( 二 )


科技|弱不禁风的小气泡，却拥有危及一座大坝的“超能力”
那么 ， 小泡泡是如何产生的 ， 它为什么有这么大的威力呢？
超声波在液体中传播时 ， 会产生压力的变化 ， 高速流体脉动会有压力的变化 。
当低压来临的时候 ， 如果压力低到一定的程度 ， 它就会产生这些小泡泡；高压来临的时候 ， 它就会变小 。
在长大变小的过程中 ， 它会产生变形 ， 我们看一个周期内的情况 ， 变形之后产生了微射流 ， 同时释放出冲击波 。
科技|弱不禁风的小气泡，却拥有危及一座大坝的“超能力”
如果一个泡泡在壁面附近 ， 由于动量的不平衡 ， 在这个泡泡的顶部就会产生变形凹陷 ， 同时形成一个穿透液体内部的高速射流打在壁面上 。
这个泡泡变小的过程实际上是非常快的 ， 我们称之为“溃灭” ， 每一次溃灭就相当于是小爆炸一样 。
科技|弱不禁风的小气泡，却拥有危及一座大坝的“超能力”
我们来看看空泡长什么样子 。 首先是液体中的空泡 。
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然后是是壁面附近的空泡 。
科技|弱不禁风的小气泡，却拥有危及一座大坝的“超能力”
这些空泡像不像一个扫地机器人？这些空泡贴附在壁面上不断地游走 ， 每秒钟几万次的冲击壁面 ， 不知疲倦地对壁面进行清扫 。
打个比方 ， 我的拳头是个泡泡 ， 它会贴附在壁面上 。 然后 ， 立起来的时候它会贴附在壁面上 ， 倒过来它也会贴附在壁面上 ， 这是由于力的作用 。
所以 ， 这些泡泡会对浸在液体中的各个方向的壁面进行高效的清洗 。
由于空泡的体积变化非常大 ， 大气泡会迅速的变小 ， 在变小的过程中 ， 能量高度的集中 ， 在空泡的内部会形成几千摄氏度的高温和几千个大气压的压力 ， 同时释放出强烈的冲击波和高速的微射流 。
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这种极端的物理环境 ， 就使得这些泡泡如同一个个化学反应器 ， 使常温常压下不能发生或者难以发生的化学反应得以发生 。
泡泡的这种性质使得它们有许多的应用 。
泡泡的应用
这是我绘制的一张空化树：它的根部表示基础研究；枝叶部分表示的是应用研究 。
这些泡泡虽然很小 ， 但是它真的不简单 。
它以流体力学、空泡动力学、传热传质、成核理论为基础 ， 在各行各业形成了非常广泛的应用 ， 比如超声清洗、声化学、过程强化、掺混、破乳、乳化等等 。
科技|弱不禁风的小气泡，却拥有危及一座大坝的“超能力”
下面介绍一个超声碎石的例子 ， 模拟超声碎石的过程 。
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如果球体表示人体内的一个结石 ， 不需要开刀动手术把这个结石取出来 ， 而是借助这些泡泡可以把结石给打碎 ， 这些泡泡看似柔弱 ， 但实际上它的力量还是很大的 。
在超声场中 ， 这些泡泡很少以单个的形式存在 ， 它们都是以集群的形式出现 。
这些泡泡在长大之后 ， 它在胀缩的同时还会发生宏观的移动 ， 大量的泡泡相互作用形成空间上的分布 ， 我们称之为“空化结构” 。
下面这张图显示的就是我们实验室拍摄的各种空化结构 。
科技|弱不禁风的小气泡，却拥有危及一座大坝的“超能力”
如果控制得当 ， 我们可以让这些小泡泡干很多事情 ， 可以让这些小泡泡可重复地沿着预设的线路输运颗粒物 。
那些亮点实际上是一些玻璃碎屑 ， 这些玻璃碎屑沿着预设的线路从一点移动到另一点 。
我们甚至还可以让它形成空化云的字母：这些小泡泡排布成字母IOA ， Institute of Acoustics就是中科院声学所的首字母的缩写 。
科技|弱不禁风的小气泡，却拥有危及一座大坝的“超能力”
研究这些泡泡久了 ， 我自己也常常产生一种错觉 。
我会问自己 ， 这些泡泡是活的吗？它们有生命吗？它们何以表现的？它们的行为何以表现得如此协调和统一？
沿着这个思路 ， 我把这些泡泡当作一个整体进行研究 ， 研究它们的宏观稳定性、记忆效应、表面张力和胶体属性等等 。
这些泡泡实际上是没有生命的 ， 它们的行为只是瞬间产生又瞬间溃灭的自组织行为而已 。


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