简单液体中声学空化的千亿原子分子动力学模拟

使用超级计算机Fugaku对简单液体中的声学空化进行了大规模分子动力学（MD）模拟。该系统由大约1000亿个原子组成，并受到超声辐照。在实验测量和传统数值流体力学模拟中，直接观察多气泡动力学一直是一项挑战。此外，以往仅包含数亿个原子的MD模拟无法在系统内生成多个气泡。我们的结果表明，空化气泡在超声角附近成核并生长，形成大的气泡簇，该气泡簇周期性地分裂成多个小簇并随后再次合并。这一周期与角的振荡周期同步。在气泡簇碎裂期间，气泡内部的压力和温度急剧上升，其振荡振幅在比角驱动周期更长的时间尺度上变化，表明存在与实验观察一致的次谐波行为。尽管有气泡形成，但对声波声学特性的影响几乎可以忽略不计，表明角表面附近的空化对体声学特性的影响有限。这些发现为空化的分子尺度机制提供了新见解，并为优化化学和生物医学应用中的超声系统提供了指导。未来的工作将集中于量化长周期振荡、分析衰减效应，以及将模拟扩展到复杂流体。