环境温度对激光空泡影响的研究模拟(2)
1917年，Rayleigh发表了题为“液体中球形空腔溃灭时产生的压力”的著名研究论文[2]，对空化现象的理论研究作出了重大贡献，为接下来近一个世纪的关于空化的理论研究奠定了基础。此后很多学者对空泡的产生、膨胀和溃灭的机理进行了大量的深入系统的研究，对空化与空蚀的机理有了较为深入的认识。
然而随着越来越多的学者对空化进行研究，现在人们已经能够对空化现象进行较为有效的预防和有益的利用。在化工、冶金等传统工业方面和医疗这类对人类生存十分重要的方面，都已使用到了空泡的研究成果。而且它们还为核反应及新能源的研究提供了一条新的途径。
不过虽然空化的研究工作已经进行了近一个世纪，但是目前我们仍为弄清其形成和发展的机理。所以不管是在理论方面还是在实验方面，我们都要继续深入的研究空化。
1.2 研究意义
研究空泡，一方面有助于加深对这种现象的认识，减轻和消除这种现象对船舶、水利、水电设施和机械等方面造成的危害；另一方面可以促使研究人员开始研究如何利用空化现象来为人类社会创造更多价值。
比如可以促进化学反应，利用空泡溃灭产生的高温高压来分解污水中的苯、苯酚、氰化物、二甲基混合物等有害化学物质；可以在水射流中引入空蚀作用来加强冲击、清洗和破岩，从而辅助钻井提高钻井速度；可以利用空化噪声和振动冲击来清洗管道、解除地层堵塞、稠油降粘、破乳以及提高原油采收率；可以利用空泡溃灭时产生的微射流最大程度的破坏边界层，阻止食品、医药中高效换热设备固体壁面结垢；可以用来清除有害细胞，在医疗领域利用超声波粉碎人体内胆和肾结石；可以用来清洗，利用空化水射流清洗严重堵塞和形状复杂的管道；可以改善材料的表面性能，作用于材料上的空化水射流可以提高金属材料的疲劳强度和抗腐蚀能力；可以提高水下武器作战效能，超空泡技术可减阻提速，从而提高射弹或水雷的命中率，还可以利用空泡溃灭时形成的高压高温(可达1亿度)为核武器的研制和可控热核反应(从而为新能源)的研究提供了一个新的途径。[1,3,4]
可以预见，随着空化空蚀机理和空化射流研究的进一步深入，空化现象将在环保、石油、食品、医疗、材料、军事、新能源等方面得到广泛应用，产生巨大的经济效益，并且对社会有更深远的现实意义。
1.3 研究进展
空泡动力学研究单空泡的运动特性及其有关动力变化过程。1917年，Lord Rayleigh从理论上对空泡运动进行了创造性的分析，建立了不可压缩液体中理想球形空泡的运动方程[2]。Herring(1941)对Rayleigh方程引进可压缩性的一阶修正。Trilling(1952)采用拟声学近似法研究含气型空泡，导出了近似方程。Gilmore(1952)将这个问题的研究又推进了一步，以Kirkwood-Bethe假说为基础推导出Gilmore方程。Mellen(1956)和Flynn(1957)基于Gilmore方法设计了非线性可压缩液体的修正模型。1964年，Hickling & Plesset利用Gilmore方程系统地计算了空泡运动情况。1977年，Plesset考虑了液体粘性与表面张力，推导出了实际流体中的空泡动力学方程，即Rayleigh-Plesset方程。而后，Akhatov、Okawa、Zhang等人继续对空泡的产生、膨胀、溃灭机理做了大量深入的研究，进一步完善空泡动力学理论。[5-10]
随着电子计算机的普遍应用，在计算机上数值模拟考察空泡动力学特性已经成为一种实用的研究方法，数值计算的兴起促进了空泡动力学研究的发展，使许多原本无法用理论分析求解的复杂问题有了求得数值解的可能性。1971年，Plesset & Chapman第一次利用有限差分法进行了空泡溃灭的流场计算，1991年，Chihine利用边界元法对三文气泡的情形进行了数值模拟。Best(1993)、Brennen(1995)，Gong & Hart(1998)等众学者都对空泡动力学方程的数值求解展开了大量的工作。国内学者在空泡的数值计算研究中也取得了丰硕成果，蔡悦斌等人在边界积分方法的基础上，用高阶单元离散边界并在时域中用步进法逐次完成模拟，再对奇异积分进行特殊处理，从而成功模拟了瞬态泡的演化过程；王起棣等人采用边界积分方法结合ENO差值、自适应的时间步长和自适应的网格重分模拟了表面张力对固壁近旁空化气泡溃灭特性的影响；胡颖颖直接求解原始变量的N-S方程，用VOF方法计算气液两相交界面的运动方程。数值计算将可能成为未来空化研究的集中趋势之一，其应用前景也将十分广阔。[11,12]