激光等离子体空泡动力学特性研究

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1、激光等离子体空泡动力学特性研究

2、第1...空化是流动液体或软组织中一种特有的物理现象，它是由于液体中局部压力低于该温度下的饱和蒸汽压所产生的一种动力学现象。空化现象的作用后果主要表现为:①改变液体的水动力作用;②产生空蚀;③辐射空化噪声。近年来，随着激光医学的发展，光致空化效应在激光眼科领域(如虹膜切除术、晶状体后囊膜切除术等)和泌尿科领域(如膀肤碎石等)所引起的正、负面影响正引起人们的极大关注。此外，在海洋开发、海军发展、以及一些特殊应用领域，如核电设备的安全维护等均对水下激光加工技术提出了迫切的要求。本文结合在研国家自然科学基金项目，从理论模型、实验、数值模拟三方面综合研究了液体粘度和激

3、光能量对激光空泡产生、成长、溃灭特性的影响。1改进的理论模型在空泡膨胀初期和溃灭后期，对应的泡半径很小，但由实验及数值模拟结果均可证实此时泡径变化速度很大。若变化速度足够大(即历时足够短)，则泡内气体将来不及与周围液体进行热交换，因而可近似视为绝热过程(绝热系数У=1.4);随着泡径的增大，其变化速度逐渐减慢，泡内气体与周围液体的热交换将不可避免;若泡径变化速度足够小(即历时足够长)，就会使泡内外充分进行热交换，因而可近似视为等温过程(У=1.0)。认为，绝热与等温的界线是模糊的，中间应该有一个渐变的阶段(1.0<У<1.4，并不断变化)，其中У是泡径变化速度尺的函数。于是，提出

4、一个У与R的关系式:У=1.4-0.4e-R(1)公式(1)应满足:①当R→时，У→1.。;②当R→∞时，У→1.4;③随着R的增大，У单调递增。然而，在不同情况下，如液体环境的不同温度分布、不同液体的不同热传导性质、泡内气体的不同性质等诸多因素都会使y与天的关系复杂化，因而需要借助于成熟的数值模拟方法，并结合精确的实验结果，综合分析比较，寻找最佳方程。这正是拟进行研究和改进的任务之一。结合公式(1)，且在综合考虑液体的粘性、表面张力、空泡含气量及多方系数了的动态变化等因素后，将空泡运动方程式改进为:RR+3/2RZ+1/ρO[P∞-Pv–[AP∞-Pv+2σ/Ro][Ro/R]3(.14-

5、0.4e-R式中:p∞:未受扰动的环境液体压力;0<A<1，ρo:液体密度;μ:液体的粘滞系数;σ:液体与空气间的表面张力系数;Pv，:饱和蒸汽压;γ:多方系数(在绝热情况时γ=1.4，等温情况时γ=1.0)。根据以上改进后空泡运动方程式，对其进行数值模拟，并与改进前方程的数值模拟结果对照，可发现其存在一定的优越性2实验研究过程利用两套基于光纤耦合光偏转法的实验装置(图1和图2)，分别从靶材的正面和背面研究了空泡脉动、激光诱导等离子体冲击波以及空泡溃灭冲击波、空泡溃灭射流的过程，进而研究了液体粘度和激光能量对以上过程特性的影响。2.1球形单空泡动力学特性实验得到水中单空泡泡半径R

6、随时间的变化规律R(t)(图3及表1)。可见，空泡脉动能量的释放绝大部分集中在第一次脉动期间，故对于空蚀破坏和空化噪声贡献最大的应该是在第一次脉动阶段。图4为水中激光空泡最大泡半径与作用激光能量的关系。由图可见:①在激光能量较小时，最大泡半径与激光能量基本成线性关系;②当激光能量达到一定值时，最大泡半径不再随激光能量增加而增加。认为产生的原因是:靶前一定距离远处的液体也被击穿，形成的等离子体阻止了后续激光能量向靶表面传送。表2为在相同能量激光作用下(此时假设作用激光能量相同时所产生的空泡完全一样)，在不同粘度液体中，根据第一套实验装置测得的数据提取出的不同粘度液体中脉动空泡各特征量到达时刻。

7、由此可见:液体粘性对于空泡脉动是一阻力因素，且粘度的影响随的增加而减弱。实验中还观察到，在粘度很大的液体中(100%甘油，粘度14.gPa·s)，需要更大的作用激光能量才能激发出可以探测得到的空泡。认为这是因为液体粘度较大时，空泡膨胀的阻力亦较大，因而需要足够的初始泡能才能够形成空泡;且在空泡产生后，收缩现象极为微弱，空泡往往在产生后稳定地上浮到液体表面。形成这一现象的原因，除了粘性因素外，甘油的密度比水大约26%也是重要原因之一。...空化是流动液体或软组织中一种特有的物理现象，它是由于液体中局部压力低于该温度下的饱和蒸汽压所产生的一种动力学现象。空化现象的作用后果主要表现为:①改变液体的

8、水动力作用;②产生空蚀;③辐射空化噪声。近年来，随着激光医学的发展，光致空化效应在激光眼科领域(如虹膜切除术、晶状体后囊膜切除术等)和泌尿科领域(如膀肤碎石等)所引起的正、负面影响正引起人们的极大关注。此外，在海洋开发、海军发展、以及一些特殊应用领域，如核电设备的安全维护等均对水下激光加工技术提出了迫切的要求。本文结合在研国家自然科学基金项目，从理论模型、实验、数值模拟三方面综合研究了液体粘度和激光能量对激光