仿体中超声空化效应的B超图像处理

0引言使用高强度聚焦超声(HIFU)照射组织,将产生声空化现象。在声空化过程中,声场能量于空化气泡内高度集中,当能量积累到一定阈值后,空化气泡瞬间崩溃。在气泡崩溃的瞬间能量会释放出来,形成局部的高温、高压、强冲击波等极端物理现象[1]。这将使周围的组织细胞遭到损伤。因此,对HIFU空化的监控显得尤其重要[2]。本文主要研究不同脉冲宽度的高强度聚焦超声(HIFU)在体外仿体中引起的空化气泡群面积随时间的变化。从而实现对HIFU空化的实时监控。     

水下近距爆炸作用下弹性钢板处的空化特性研究

弹性钢板在水下近距爆炸作用下,冲击波会使其附近流体形成局部空化,脉动气泡会使流体形成锥形空化。利用平面冲击波理论对局部空化的形成特性进行了研究,理论分析了结构目标尺度的变化对空化区域形成的影响,并通过具体试验对局部空化理论进行了验证,两者符合较好;通过试验和数值仿真方法研究了气泡脉动引起的锥形空化的形成特点,初步分析了锥形空化的形成原因。结果表明,锥形空化对结构具有较大的冲击作用。     

高液压水体中近壁面空化气泡坍塌的动力学特性研究

基于6方程多相流模拟理论并结合Keller-Miksis方程半解析解进行对比验证，建立了适用于研究高液压水体中近壁面空化气泡坍塌问题的数值模型。选取周围水体p_∞=10⁶ Pa、p_∞=10⁷ Pa、p_∞=10⁸ Pa三种高液压工况以及S=0.1R₀、S=0.4R₀、S=0.7R₀、S=1.1R₀四种空化气泡与壁面之间间距工况对高液压水体中近壁面空化气泡坍塌的动力学特性进行系统探究。结合数值纹影、压力场无量纲化等后处理技术，对不同组合工况下空化气泡坍塌演变、压力波生成与传播以及壁面径向原点位置压力峰值进行了详细地对比分析，并深入揭示了周围水体液压以及气泡与壁面之间间距对于近壁面空化气泡坍塌动力学特性的影响规律和内在机理。     

水下平面爆炸冲击作用下空化区域形成及其特征

在水下平面冲击波基本理论基础上,导出在弱冲击波条件下,平面冲击波的空化深度和空化区域高度计算模型.利用LS-DYNA有限元程序对空化区域的密度和速度等特征进行了数值模拟分析.     

声流条件下超声空化气泡分布研究

研究了频率为20 kHz的超声作用在圆柱形料腔中出现声流现象时超声空化效应的空间分布特性。结合大振幅声源条件下的声辐射力,对声场内的声流现象进行了仿真分析,获取了不同超声功率和液位高度下的声流速度场分布,初步探究了声流条件下空化气泡的运动分布规律。采用超声空化效应的声致化学发光实验,对比研究了有、无声流条件时超声空化效应的空间分布特性。结果表明：功放电流高于80 mA(电功率为17.6 W)时,超声场可形成稳定的声致流动现象且可有效提高其声能辐射效率,大大增加了空化效应的作用区域,进而提高了声化学反应效率;声流条件下料腔内超声空化效应的分布区域与超声功率(振幅)、料腔液位高度相关,功放电流从40 mA(电功率为8.8 W)增加至120 mA(电功率为26.4 W)时,空化面积占比提高了100.86%,液位高度为60 mm时的空化面积占比较50 mm和70 mm时分别提高了13.11%和73.91%,提高超声功率及选择合理的料腔液位高度,可有效提高空化气泡扩散距离,增大空化分布面积;对于固定形状及尺寸料腔中的声场,声流速度达到一定阈值时,会出现空化效应增强,空化效应增强区域位于大于声流速...     

超重力场下球形炸药水下爆炸实验及数值模拟

常重力条件下,Mach数和Froude数无法同时满足相似。采用离心模型实验,研究水下爆炸冲击波特性及气泡脉动规律,并采用数值模拟方法重现了超重力场下的水下爆炸过程。实验及数值模拟的结果表明,重力的改变基本不影响冲击波的峰值,COLE理论在超重力环境下仍然适用,而超重力场下,小当量炸药可以模拟气泡的脉动迁移过程,其结果可以用于预测大当量炸药深水爆炸的特性。此外,为减少计算时间并提高计算精度,采用将二维冲击波作为初始条件映射到三维模型的建模方法。对于冲击波计算,网格尺寸宜取药包半径的1/20~1/10;对于气泡脉动,宜取药包半径的1/2~1。     

超重力场下球形炸药水下爆炸实验及数值模拟

常重力条件下,Mach数和Froude数无法同时满足相似。采用离心模型实验,研究水下爆炸冲击波特性及气泡脉动规律,并采用数值模拟方法重现了超重力场下的水下爆炸过程。实验及数值模拟的结果表明,重力的改变基本不影响冲击波的峰值,COLE理论在超重力环境下仍然适用,而超重力场下,小当量炸药可以模拟气泡的脉动迁移过程,其结果可以用于预测大当量炸药深水爆炸的特性。此外,为减少计算时间并提高计算精度,采用将二维冲击波作为初始条件映射到三维模型的建模方法。对于冲击波计算,网格尺寸宜取药包半径的1/20¹/10;对于气泡脉动,宜取药包半径的1/21/10;对于气泡脉动,宜取药包半径的1/2¹。     

超声空化对溴化锂溶液气泡运动的影响

根据溴化锂溶液的物性参数方程,利用试验数据和超声作用于均相液体中空化气泡运动的动力学模型,推导出溴化锂溶液超声空化气泡运动方程。利用MATLAB对溴化锂溶液超声空化气泡的运动特性进行数值模拟,对过冷沸腾和饱和沸腾条件下溴化锂溶液沸腾气泡的运动变化特性进行研究,得到超声空化效应对气泡运动特性变化影响的模拟结果。为溴化锂溶液传热性能和吸收式制冷机组制冷效率的提高提供一定的理论依据。     

相界面上超声空化气泡聚并、滑移促进的传质

根据超声空化泡在相间特殊运动时周围流体流动特性,以相间传质渗透理论为依据,结合流体动力学原理,在充分研究相界面上气泡行为的基础上,根据界面上超声空化气泡生长过程的动力学行为,导出了相界面上超声空化气泡聚并和滑移促进的传质模型。在此基础上,建立了相界面上气泡滑移、聚并及脱离界面逸出这三种气泡行为共同促进的传质模型,该模型可用于描述超声空化界面等相界面上的传质行为,为超声波强化传质过程提供了理论依据。     

港口水下爆炸荷载冲击特性研究

采用数值仿真方法研究港口水下爆炸荷载的冲击特性,并与经验公式及实验结果比较验证数值模拟方法的正确性;分析水下爆炸冲击波传播过程与气泡膨胀规律。研究表明,港口水下爆炸气泡膨胀荷载不可忽略,由比冲量知,大部分区域气泡膨胀荷载大于冲击波荷载;自由水面对冲击波荷载与气泡膨胀荷载均影响较大,越接近水面二者比冲量越小,气泡膨胀荷载衰减越快,在水面附近其冲量甚至会小于冲击波荷载。水底对气泡膨胀荷载影响不大,而对冲击波荷载影响较大。受水底反射波影响,冲击波作用时间缩短,导致比冲量迅速减小。水底有淤泥层时,冲击波在泥层与水体交界面反射不显著,水底反射冲击波主要来自泥层底部与岩石层分界面。     

装药壳体对含铝炸药水下爆炸性能影响研究

针对某含铝炸药,分别在6 mm钢壳、硬铝壳、PVC壳及裸药柱形装药条件下进行水下爆炸实验,测量3 m,5 m,7 m处冲击波压力时程曲线,获得不同装药条件下冲击波的峰值、冲量、能量及气泡脉动周期和气泡能等参数。利用AUTODYN-2D程序,对带壳装药含铝炸药水下爆炸过程进行数值模拟,通过与实验测量结果对比,验证数值仿真方法和结果的准确性。在此基础上,结合量纲分析与数值模拟方法研究填装比对冲击波波形、压力峰值及气泡脉动周期的影响规律。研究表明：填装较小时,冲击波压力峰值与冲击波能均增大;填装较大时,压力峰值与冲击波能均减小;气泡脉动周期随填装比的增加而减小;在钢壳装药下,最优填装比为1.45。有限元模型与计算结论可为水中兵器设计提供一定参考。     

基于预处理方法的空化超空化流数值模拟

建立了一套水动力空化流数值计算方法,采用基于预处理方法的空化两相流模型计算二维空化问题,并通过添加源项来计算轴对称外型空化问题,发展了类比于Roe格式的空化两相流通量计算迎风格式,湍流模型采用经过修正的两方程模型,时间推进采用双时间步LU-SGS隐式方法,计算了二维水翼及轴对称体外型的全湿流、空化及超空化流动。数值结果表明,该文建立的基于预处理方法的空化两相流数值算法是有效的,可以对二维及轴对称外型的全湿流态以及空化、超空化的演化等现象进行数值预测。     

贮箱及输送管路流场空化发展机理研究

基于Pumplinx仿真分析软件开展了非稳态两相流仿真模拟分析,针对贮箱及下游输送管路,研究空化现象发展机理,并给出了试验验证.结果 表明,贮箱出口边界流量增大后输送管内各截面会依次发生空化,截面压力降低至饱和蒸气压.空化现象根据空化程度不同,可以分为局部微量空化和深度空化两种状态,不同状态下空化发展过程不同.在微量空...     

电脉冲空化制备超细镍磷粉体材料的理论与实验研究

本文从热力学和动力学角度分析了利用电脉冲空化制备超细镍磷粉体材料的可能性,并从实验上成功制备出粒径可控的镍磷合金粉体材料,研究结果表明电脉冲空化制备镍磷合金粉体材料的形核与长大过程主要受脉冲能量、脉冲方式、反应时间等多重因素控制.反应初期(60秒以内),反应形核受脉冲能量控制,镍磷合金粉体颗粒数随脉冲放电能量(包括脉冲电压和脉冲次数)的增加而增加;随反应时间延长(超过60秒),脉冲空化导致镍磷非晶合金粉体的反应被激活,溶液中镍磷粉体可自发形核、生长,直至反应完成.     

准实时高强度聚焦超声背向散射积分监控成像

提出一种基于超声背向散射积分(IBS)参数估计的减影成像方法,用于检测高强度聚焦超声(HIFU)治疗过程中的组织损伤.在构建的HIFU/B超准实时治疗监控成像系统上,进行了离体猪肝组织实验.得到了不同组织深度下,IBS值随治疗时间的增加而变化的情况,以及不同治疗时间的IBS减影图像.比较了两种获得减影图像的方法,讨论了空化效应对IBS值的影响.此外还采用了一种双向彩色编码模式用以识别组织运动伪像.结果表明,IBS值能够较好地检测组织的损伤,还能一定程度地反映空化效应的情况,采用时间相邻的序列减影图像的叠加所获得的减影图像效果较好,双向彩色编码模式能够较有效地识别组织运动伪像.     

电火花-超声复合技术制备镍微米空心球的研究

采用电火花-超声复合技术,以电火花放电过程裂解及超声空化效应所产生的气泡为模板制备微米金属空心镍球,通过扫描电子显微镜、真密度比重仪、振实密度仪、豪斯纳比等对镍微粒在气泡球面的生长过程、镍空心球的成型机理和不同镍空心球的成型原因进行分析和研究,阐述了基于液相基底表面金属薄膜理论的空心球成型过程,并且着重研究超声对颗粒的空心率、微球形貌及微球流动性的影响。结果表明超声的加入使镍空心球的空心率提高10%~20%,改善了颗粒的流动性。     

水下钻孔爆破冲击波下桥墩的动态响应及防护分析

利用数值模拟方法以及现场监测技术,结合砖灶子水下炸礁项目,研究了水下钻孔爆破水中冲击波对桥墩的影响以及防护,对水中冲击波作用下桥墩结构的动态响应以及气泡帷幕的削减效果进行对比分析,并结合现场监测数据,对李家沱大桥的动态响应以及安全状态做出评价。研究发现:桥墩结构对水中冲击波的动态响应在桥墩中部及桥趾部位较大,且迎爆面的响应大于背爆面,测量点的速度与加速度响应最大值均出现在水平径向,然后是垂直方向和水平切向;气泡帷幕对于水中冲击波的削减效果良好,且距离保护对象5 m时效果最佳。运用气泡帷幕防护及现场监测指导施工,使得李家沱大桥处于安全状态下。     

非均相流模型在绕回转体通气空化流动计算中的应用

结合水洞实验,研究了非均相流模型在通气空化流场计算中的应用。分别采用均相和非均相流模型对绕带空化器回转体的通气空化流场进行了数值计算,并与实验结果进行了对比,结果表明:非均相流模型由于充分考虑到相间界面及其相互作用,较应用均相流模型,能够更准确地模拟绕带空化器回转体的通气空化流动的空泡形态和通气空化流场的非定常特性和空泡区域的速度分布,更好地捕捉到空化区域内反向射流运动的非定常过程。     

乳化炸药压力减敏作用与敏化气泡含量的关系

分别在乳胶基质内添加0.10%、0.15%和0.25%的H发泡剂,制得3种乳化炸药.在相同的实验条件下,分别测试它们受冲击波作用前后水中爆炸冲击波,利用冲击波的峰值压力,计算出压力减敏程度,从而比较和分析它们的抗压性能.结果表明气泡含量对乳化炸药的压力减敏有较大影响,发泡剂含量由0.10%增加到0.25%时,乳化炸药发生压力减敏的程度逐渐增加,抗压性能明显下降.分析认为,敏化气泡分布结构的变化和局部乳胶体的破乳是乳化炸药发生压力减敏的原因,敏化气泡含量越高,分布结构越容易发生变化,破乳的乳胶体所占比例也越大,越容易发生压力减敏.     

空化水喷丸工艺诱导塑性变形行为的数值模拟

金属薄板经空化水喷丸强化后会产生不同程度的塑性变形,为了探究冲击波压力作用时间对塑性变形的影响,利用ANSYS/LS-DYNA有限元分析软件,建立了各向同性理想弹塑性的空化水喷丸三维有限元模型,对N型标准阿尔门试片经空化水喷丸处理后诱导的塑性变形进行了数值模拟。为了验证模拟结果的准确性,利用阿尔门测量仪对上述工艺诱导试片塑性变形产生的弧高度进行了试验测定。结果表明,数值模拟的弧高度和实测数据有较好的一致性。