基本介紹
- 中文名：空化作用
- 外文名：cavitation
- 類別：超音波空化作用，水力空化
- 定義：一種生長和崩潰的動力學過程
簡介,形成,
簡介
液體中的微小氣泡核在超音波作用下產生振動，當聲壓達到一定值時，氣泡將迅速膨脹，然後突然閉合，在氣泡閉合時產生衝擊波，這種膨脹、閉合、振盪等一系列動力學過程稱超音波空化作用。
超音波能量足夠高時，就會產生“超音波空化”現象。存在於液體中的微小氣泡（空化核）在超聲場的作用下振動、生長並不斷聚集聲場能量，當能量達到某個閾值時，空化氣泡急劇崩潰閉合的過程。
現象氣泡的壽命約0.1μs，它在急劇崩潰時可釋放出巨大的能量，並產生速度約為110m/s、有強大衝擊力的微射流，使碰撞密度高達1.5kg/cm2。現象氣泡在急劇崩潰的瞬間產生局部高溫高壓（5000K，1800atm），冷卻速度可達10的9次方K/s。
超音波這種現象大大提高非均相反應速率，實現非均相反應物間的均勻混合，加速反應物和產物的擴散，促進固體新相的形成，控制顆粒的尺寸和分布。
空洞內為液體蒸氣或溶於液體的另一種氣體，甚至可能是真空。因空化作用形成的小氣泡會隨周圍介質的振動而不斷運動、長大或突然破滅。破滅時周圍液體突然沖入氣泡而產生高溫、高壓，同時產生激波。與空化作用相伴隨的內摩擦可形成電荷，並在氣泡內因放電而產生髮光現象。在液體中進行超聲處理的技術大多與空化作用有關。空化作用一般包括3個階段：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音波後，由於液體振動而產生數以萬計的微小氣泡，即空化泡。這些氣泡在超音波縱向傳播形成的負壓區生長，而在正壓區迅速閉合，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，會產生巨大的瞬時壓力，一般可高達幾十兆帕至上百兆帕。
形成
超音波作用於液體時可產生大量小氣泡 。一個原因是液體內局部出現拉應力而形成負壓，壓強的降低使原來溶於液體的氣體過飽和，而從液體逸出，成為小氣泡。另一原因是強大的拉應力把液體“撕開”成一空洞，稱為空化。
在液體介質中由於渦流或超音波的物理作用，液體中的某一區域會形成局部的暫時的負壓區，於是在液體介質中可產生空化氣泡，簡稱為空穴或氣泡。
在一定強度的超音波的作用下，液體介質可以產生空化氣泡，這些空化氣泡就其所含氣體而言，可分為以下四種類型:接近真空的氣泡、含蒸氣的氣泡、含氣體的氣泡、含氣體和蒸氣的氣泡。
根據空化氣泡的熱力學穩定性，空化氣泡還可以分為亞穩氣泡和穩定氣泡。
接近真空的氣泡和含蒸氣的空化氣泡是亞穩氣泡， 一般認為是在強度超過10W/cm2 的超音波作用下而產生的;而穩定氣泡則是在較低強度的超音波作用下所產生的，主要是一些含有氣體的空化氣泡以及含有氣體和蒸氣的空化氣泡。
空化氣泡在超聲場的作用下會發生振動，但並不一定就發生潰陷， 只有當超音波的頻率小於空化氣泡振動頻率時才會使空化氣泡潰陷；反之，當超音波的頻率超過空化氣泡的振動頻率時，空化氣泡會進行更為複雜的振動，而不會發生潰陷。
套用
超音波的廣泛的運用於各個領域就是套用了其空化作用以及其空化伴隨著機械效應、熱效應、化學效應、生物效應等等，機械效應和化學效應的套用，前者主要表現在非均相反應界面的增大；後者主要是由於空化過程中產生的高溫高壓使得高分子分解、化學鍵斷裂和產生自由基等。利用機械效應的過程包括吸附、結晶、電化學、非均相化學反應、過濾以及超聲清洗等，利用化學效應的過程主要包括有機物降解、高分子化學反應以及其他自由基反應。
影響因素超音波強度
超音波強度指單位面積上的超聲功率，空化作用的產生與超音波強度有關。對於一般液體超音波強度增加時，空化強度增大，但達到一定值後，空化趨於飽和，此時再增加超音波強度則會產生大量無用氣泡，從而增加了散射衰減，降低了空化強度。
超音波頻率
超音波頻率越低，在液體中產生空化越容易。也就是說要引起空化，頻率愈高，所需要的聲強愈大。例如：要在水中產生空化，超音波頻率在400 kHz時所需要的功率要比在10 kHz時大10倍，即空化是隨著頻率的升高而降低。一般採用的頻率範圍20~40 kHz。
液體的表面張力與黏滯係數
液體的表面張力越大，空化強度越高，越不易於產生空化。黏滯係數大的液體難以產生空化泡，而且傳播過程中損失也大，因此同樣不易產生空化。
液體的溫度
液體溫度越高，對空化的產生越有利，但是溫度過高時，氣泡中蒸汽壓增大，因此氣泡閉合時增強了緩衝作用而使空化減弱。
空化閾
空化閾是使液體介質產生空化作用的最低聲強或聲壓振幅。只有當交變聲壓幅 大於靜壓力， 才能出現負壓。而只有當負壓超過液體介質的黏度時，才會產生空化作用。
空化閾隨不同的液體介質而不同， 對於同一液體介質，不同的溫度、壓力、空化核的半徑以及含氣量， 空化閾值也不同。一般來說，液體介質含氣量越少， 空化閾就越高。空化閾還與液體介質的黏滯性有關， 液體介質的黏度越大，空化閾也越高。
空化閾與超音波的頻率有著十分密切的關係，超音波的頻率越高，空化閾也越高。超音波的頻率越高，越難空化，要產生空化作用，就必須增加超音波的強度。
