《雷射致可控環形空泡的產生機理及動力學特性研究》是依託南京理工大學，由陳軍擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：雷射致可控環形空泡的產生機理及動力學特性研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：陳軍
- 依託單位：南京理工大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
本項目針對雷射致可控環形空泡的產生機理及其動力學特性展開數值仿真和實驗研究，旨在為環形空泡的套用提供理論基礎和實驗參考。採用一種簡單易控的新方法產生環形空泡，該方法主要利用高能脈衝雷射聚焦到凹洞型靶材內部產生環形空泡。建立基於有限體積法和運動界面追蹤算法的數值計算模型，模擬雷射致環形空泡的產生與運動過程，得到衝擊波引起的壓力場變化、環形空泡脈動過程及其引起的流場變化。然後利用圖像獲取和雙光束偏轉實驗系統對數值模擬結果進行驗證，進一步分析環形空泡的產生機理。此外，研究不同的液體參量和雷射參數條件下環形空泡的動力學行為，獲得環形空泡脈動過程、運動速度和生命周期等與液體密度、粘性、表面張力、溫度，以及雷射能量、波長、脈衝寬度等的依賴關係。希望通過本項目的研究，實現利用雷射參數調控產生具有特定性質的環形空泡，以便套用於微粒子操控、水下雷射推進等領域。
結題摘要
空泡是水動力學中一種常見的現象，在很多領域存在有利的套用，包括表面清洗、微型推進、藥物傳輸、醫療手術、材料製備等。本項目針對雷射致空泡的產生機理及其動力學特性展開了理論計算、數值模擬和實驗研究，並挖掘了雷射致空泡動力學在液相雷射燒蝕法製備納米材料過程中的作用。理論計算基於改進的 Rayleigh-Plesset方程模型，得出了可直接計算氣泡內部壓強溫度的公式，分析了氣泡內部熱力學環境的演變過程；數值模擬基於有限體積法，得到了空泡在固壁面附近的脈動過程及周圍環境參數的變化；實驗測試基於時間分辨陰影照相系統、光偏轉探測系統和高速攝像系統，實現了雷射致空泡的原位、定量觀測。利用以上方法，我們進一步研究了不同雷射參數和不同溶液中空泡的脈動過程。通過一系列的分析與討論，總結了液相雷射燒蝕產生空泡的具體過程，發現：（1）雷射不僅燒蝕靶材產生空泡，還會和溶液中產生的納米顆粒相互作用產生微空泡；（2）空泡為納米顆粒合成提供了理想條件；（3）通過對雷射參數和溶液參數的調控可以改變空泡運動狀態，同時調控合成的納米材料。此外，我們還研究了雙空泡合併的過程，發現在雙空泡融合之後，產生的不同納米顆粒會約束在同一個氣泡內，隨著氣泡的膨脹與潰滅，在快速變化的熱力學環境下不同種納米顆粒快速碰撞結合在一起。本項目通過對雷射致空泡動力學的基礎研究，發現其在液相雷射燒蝕製備納米顆粒中的重要作用，推動了空泡動力學的發展，為液相雷射燒蝕製備高性能納米材料提供了可行方案。
