近年來(lái)空泡在微流體系統(tǒng)，超空化減阻等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，空泡的可控操作成為空泡動(dòng)力學(xué)研究的最終目標(biāo)。但由于缺乏對(duì)空泡動(dòng)力學(xué)特性的了解，無(wú)論是在微流體系統(tǒng)中，還是超空化的應(yīng)用中，空泡的產(chǎn)生均處于無(wú)序的狀態(tài)，缺乏有效地控制，影響了空泡在應(yīng)用中的使用效果。因此本文采用分子動(dòng)力學(xué)模擬與實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合，分別對(duì)空化空泡，沸騰空泡以及氣液混合空泡的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行深入系統(tǒng)的研究。

采用分子動(dòng)力學(xué)模擬的方法對(duì)正則系綜條件下的空化發(fā)生過(guò)程進(jìn)行研究。模擬結(jié)果表明，液體的溫度以及數(shù)密度均存在一個(gè)范圍值，若液體的溫度或數(shù)密度位于該范圍值內(nèi)，液體中能夠發(fā)生空化，但產(chǎn)生的空泡較小，且穩(wěn)定性較差。當(dāng)溫度或數(shù)密度低于該范圍值，液體內(nèi)部同樣會(huì)發(fā)生空化，形成體積較大且穩(wěn)定性較好的空泡。若液體溫度或數(shù)密度高于該范圍值，液體內(nèi)部將不會(huì)有空化發(fā)生。同樣采用分子動(dòng)力學(xué)模擬的方法，對(duì)正則系綜條件下空化空泡生長(zhǎng)、潰滅過(guò)程的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行分析。模擬結(jié)果表明，在溫度較低的情況下，空泡能夠維持穩(wěn)定。但隨著溫度升高，空泡維持穩(wěn)定的難度增大，空泡受到周圍液體的擠壓而潰滅。在潰滅的過(guò)程中，溫度越高，空泡潰滅速度越快。溫度從0.62上升到0.80，空泡潰滅時(shí)間縮短了60%，潰滅產(chǎn)生的射流沖擊則降低了35%。此外，降低液體數(shù)密度，可以增強(qiáng)空泡的穩(wěn)定性，并且數(shù)密度越小，空泡能夠維持的體積越大。隨著溫度的升高，液體數(shù)密度對(duì)空泡穩(wěn)定性的影響逐漸減弱。對(duì)單個(gè)沸騰空泡在微電極表面的成核以及生長(zhǎng)過(guò)程進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，空泡的成核時(shí)間隨微電極功率密度的增大以及環(huán)境壓力的減小而縮短。其中，電極的功率密度從0.140 MW.m-2上升到0.169 MW.m-2，空泡的成核時(shí)間縮短17%；而壓力從5 kPa降低至0 kPa，空泡成核時(shí)間縮短了3%。空泡的生長(zhǎng)過(guò)程包括迅速生長(zhǎng)階段和動(dòng)態(tài)平衡階段，生長(zhǎng)速度由快到慢。在迅速生長(zhǎng)階段的初期，微電極功率密度對(duì)空泡的生長(zhǎng)起主導(dǎo)作用；而在該階段的后期，環(huán)境壓力是影響空泡生長(zhǎng)的主要因素?？张萆L(zhǎng)的最大半徑，則是由微電極的功率密度和環(huán)境壓力共同決定的。對(duì)氣液混合空泡在微通道中電極表面的流動(dòng)特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明，在弱潤(rùn)濕性的電極表面(接觸角155.5零)，空泡的流動(dòng)速度是強(qiáng)潤(rùn)濕性的表面(接觸角10零)的1.13倍。加載電流以后，在電極功率密度5×10。kW.m-2，電流持續(xù)時(shí)間90 s的情況下，空泡的流動(dòng)速度會(huì)降低2%。相反，強(qiáng)潤(rùn)濕性的電極加載電流能提高空泡在其表面的流動(dòng)速度，且電極功率密度越大，電流加載時(shí)間越長(zhǎng)，空泡流速越快。當(dāng)電極功率密度從0 kW.m-2增大到5×102 kW.m-2，電流持續(xù)時(shí)間從0 s增加到150 s時(shí)，空泡的流動(dòng)速度提高5%。但空泡流速加快的頻率也會(huì)隨著功率密度的增加或電流持續(xù)時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸下降。