超声驱动壁面附着气泡的形状模式与射流形成

理解基底附着气泡对超声的响应对于从工业清洗到生物医学治疗等应用至关重要。在超声激励下，气泡可通过法拉第不稳定性发生变形，并周期性地发射高速射流。尽管自由气泡的这种行为已得到越来越深入的理解，但壁面附着气泡的动力学在很大程度上仍未被探索。特别是，非球形模式的三维选择与演化及其与射流的关系尚未得到解决。我们利用结合顶视明场显微镜与侧视相位衬度 X 射线成像的双视角成像装置，研究了与刚性基底接触并由超声驱动的微米级空气气泡。该方法揭示了气泡形状通过四个区域的逐步演化：球形振荡、谐波轴对称弯月面波、半谐波轴对称法拉第波以及半谐波扇形法拉第波的叠加。这与自由气泡形成对比，后者在不稳定性起发时直接跳变至其最终的法拉第图案。对于所选基底，观察到的形状模式谱是简并的，并跨越连续的模式阶数范围，这与基于运动学论证的理论预测一致。自由气泡虽然也是简并的，但仅限于离散的球谐函数。测得的法拉第不稳定性超声压力阈值与针对刚性边界修正的经典界面稳定性理论相一致。补充的三维边界元模拟重现了观察到的形状演化。最后，我们确定了循环射流的加速度阈值：与自由气泡不同，壁面附着气泡总是从不受基底约束的一侧产生射流。