科研进展 | 超声微反应器中空化气泡三维运动规律和空化强度观察
导语：
近日，汕头大学化学化工学院（碳中和未来技术学院）、广东省粤港有序结构材料的制备与应用联合实验室、化学与精细化工广东省实验室高端微反应器与流动化学研究组董正亚研究员团队在超声波微反应器（USMR）领域取得重要研究进展。相关成果以“直管超声微反应器中空化气泡的三维运动学及其与空化强度的关系（3D kinematics of cavitation bubbles and the relationship with cavitation intensity in straight-tube ultrasonic microreactors）”为题，发表于化工领域知名期刊《Chemical Engineering Science》。该研究系统观察了直管超声波微反应器（St-USMR）中空化气泡的三维运动规律，探索了气泡的三维运动与空化强度的关系，为微反应器设计、优化、应用与发展提供了重要理论依据。
研究背景
USMR凭借其高效混合、强化传质及防堵塞等优势，已成为药物递送载体、化妆品、催化剂等纳米材料制备领域的研究热点。空化气泡的动力学行为直接决定了反应器的性能，但其三维运动规律因其时变性和空间复杂性，难以进行表征。
研究内容
本研究创新性地结合高速成像、图像处理算法、声化学发光和氯仿降解测定的多学科方法，首次揭示了St-USMR中空化气泡和空化气泡云的三维空间运动规律，文章系统性地阐述了：
- 空化模式与管径的关联性
1-2 mm小管径：少量宏观空泡沿玻璃通道移动，几乎没有观察到空化气泡云，空化强度低。
3-5 mm临界管径：宏观空泡沿壁复杂移动，同时在通道中形成多段空化气泡云，每段空化气泡云都以径向环流运动，空化强度显著提升。
6 mm大管径：空化气泡云完全粘附在单侧管壁，并融合成连续的一层。空化强度与4-5 mm管径相近。
- 空化气泡云的径向运动机制
结合高速摄像与声化学发光成像，揭示了空化气泡云的空间流动方式：呈现出向通道顶部和底部汇聚的径向环流模式。此运动模式导致了顶部和底部的空化气泡云最为密集，空化强度最高。声发光图像和空化侵蚀实验同时证实，因管顶部和底部空化强度最高，声发光最强烈，空蚀最严重。
- 大气泡的复杂轨迹
基于正视和俯视双视角下的同步高速影像，利用目标追踪算法重构了直径大于300 μm（20 kHz超声波下，空化气泡的共振尺寸）的大气泡三维运动路径。发现其贴近管壁进行快速而复杂地移动，并且其运动范围被限制于在气泡云分段中。
- 空化强度与乳化性能的关系
通过氯仿降解实验验证，1-2 mm通道管径的空化强度非常低；与3 mm通道相比，4 mm到6 mm管道内空化强度进一步增强，但该范围内空化强度没有显著变化。
乳液的液滴大小和分散性取决于气泡的运动模式，用3-5 mm管径制备的乳化液滴尺寸显著减小且分布更均匀。尽管在4-5 mm 通道测得的空化强度明显高于3 mm通道，但在乳化性能方面没有显著差异。
研究意义
理论突破：本研究阐明了空化气泡的三维运动规律与管径的依赖关系，为丰富USMR空化动力学的研究开辟了新的道路。
技术指导：为USMR的设计（如蛇形管、多通道系统）提供优化依据，推动工业化应用。
跨学科方法：结合计算机视觉、流体力学与声化学的多维表征策略，为后续空化工艺和技术的研究提供了新范式。
研究团队与资助
共同第一作者：方泽宏（汕头大学）、朱晓晶（化学与精细化工广东省实验室）
通讯作者：董正亚、武志林
资助项目：广东省基础与应用基础研究基金（2021A1515110111）、广东省粤港有序结构材料的制备与应用联合实验室(2023B1212120011)等。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.ces.2025.121700
