激光诱导空化和激光流体耦合

导言和动机
激光辐射在液体中产生的气泡被称为激光诱导空化。在微流体应用中也能观察到这类气泡的形成。当激光用于处理液体环境中的材料时，激光诱导空化现象也会在各种应用中自然发生。

这类处理的例子包括液体辅助激光手术、眼部激光手术、激光血管成形术和激光碎石术。由于空化既可能产生积极影响，也可能产生消极影响，因此空化常常是一个非常复杂的问题。通过更好地了解激光诱发的空化和随之而来的气泡动力学，可以提高这些技术的有效性和安全性。

激光辐射（见图 1）可被视为一个前置事件，如果脉冲持续时间明显小于声学时间尺度（即特性长度除以液体中的声速），则该事件在蒸汽（或等离子）气泡开始膨胀之前结束。在这种情况下，可以将气泡和流体动力学分析与激光辐射分析分开。

气泡动力学
气泡动力学可能受到正在进行的相变和初始气泡惯性的影响。在实际应用中，可以看到一个非球形气泡反射激光束和轮廓，证明了这一现象。

在这种情况下，气泡和周围液体的动态以及激光辐射和相变（如汽化）都应作为一个单一系统进行综合研究。这些模型的分析通常从一个、两个或多个预先指定的气泡开始，每个气泡都有固定的初始状态。对于长脉冲激光产生的气泡，这种方法已不再可行，因为激光辐射和相变会持续进行。文献中还没有一种全域方法可以同时预测两相气泡/流体动力学和连续的激光诱导相变。

 

图 1：激光域几何图形；图片由爱思唯尔提供

激光诱导空化模拟
弗吉尼亚理工大学的研究人员和科学家试图缩小这一差距。因此，他们将两相欧拉方程与激光辐射方程相结合，模拟激光如何被两相流体流吸收。对辐射传递方程（RTE）进行修改，以考虑激光束的独特特性（图 1），如单色性、方向性和可测量（通常不为零）的聚焦角或发散角，从而得出激光辐射方程（见图 2）。流体-激光耦合系统考虑了气泡形成前后流体流动对激光的持续衰减，以及温度变化（图 3）和气泡动力学的影响。

 

图 2：宽光束诱发空化时的激光辐射率；图片由爱思唯尔提供

弗吉尼亚理工大学的研究人员使用嵌入式边界技术来施加激光辐射方程的边界条件，以便将这种复杂性考虑在内。具体来说，他们采用镜像和插值方法在激光域外填充幽灵节点。这种技术也称为淹没边界法或幽灵单元技术，已广泛应用于流固耦合计算。他们提供了一种潜热贮存技术，该技术考虑了潜热的积累和释放，以捕捉激光诱导的汽化。溶解分子间相互作用所需的潜热是作为液体子域中每个控制体积的新变量引入的。

 

图 3：宽光束诱发空化时的温度场；图片由爱思唯尔提供

激光诱导空化实验结果
通过将状态方程转换为气相状态方程，然后通过等时过程将潜热加到蒸汽焓中，就可以用数值方法完成从液相到气相的转变。弗吉尼亚理工大学的研究小组采用局部水平集技术，在包含液气界面的约束带内求解水平集方程，以跟踪气泡表面。

水平集方法过去曾被广泛用于跟踪被流体速度场（也称为平流）加速的气泡的发展。在最近发生相变的控制体积内，这些研究人员改变了水平集函数值的符号，以捕捉持续汽化的效果。

 

图 4：宽光束诱导的空化中的压力场；图片由爱思唯尔提供

然后，通过求解电平集重新初始化方程，将电平集函数转换回有符号的距离函数。他们在这些模拟中改变了激光束的宽度，以证明计算方法能够捕捉实验室实验中发现的一些重要现象，如形成增加激光辐射范围的气泡通道（也称为 "摩西效应"）、非球形、依赖光束的气泡膨胀以及声波和冲击波的发射（见图 4 和图 5）。该实验也在实验室中进行（见图 6），获得的结果与数值结果非常吻合。

 

图 5：宽光束诱导空化的速度场；图片由爱思唯尔提供

总结
长脉冲激光引起的空化模拟是通过计算完成的。不同的激光技术和应用对 "长脉冲 "有不同的定义。本文中的 "长脉冲 "是指持续时间等于或长于声学时间尺度的激光脉冲。
在这种情况下，激光辐射、相变（即汽化）和气泡/流体动力学过程之间存在时空重叠。借助考虑到它们之间相互依存关系的物理模型，计算技术旨在同时复制这些过程。
流体动力学方程和激光辐射方程采用嵌入式边界方法进行耦合，使后者能够在与前者相同的有限体积网格上求解。一般来说，使用这种网格无法解决激光辐射域的极限问题。
标准水平集技术考虑了相变导致的气泡发展和膨胀，可以看作是这种方法的延伸。在模拟过程中，一种名为潜热贮存器的技术被用于识别局部汽化，该技术可监测相变前分子间势能的上升。
结果表明，即使使用相对简单的材料模型（见图 2、图 3、图 4 和图 5），该计算方法也能捕捉到激光诱导空化中的许多重要现象，包括非球形、依赖光束的气泡膨胀、冲击波和摩西效应。
 

图 6：在激光诱导空化中观察到的水滴形气泡；图片由爱思唯尔提供