超声和媒质的相互作用包括热机制、机械机制与空化机制三种,功率超声是指超声波作为一种能量形式主动作用于媒质,使之发生影响和改变。常见的功率超声应用有超声清洗、超声焊接等。超声通常以常态流体作为介质,但近年来,随着人们环保意识、效率需求的不断提高,超声耦合非常态流体成为一个趋势,比如使用超声强化超临界二氧化碳以得到更高的清洗率,超声耦合亚临界水用于天然植物中有效成分的提取,提高了得率,等等。目前超声与非常态流体耦合的研究以实验为主,对其中机理的理论研究仍然少见。本文基于流体控制方程和超声空化泡动力学理论,运用数值方法,分别对亚临界水和超临界二氧化碳中的超声空化泡进行建模与探究。首先通过计算流体动力学软件Fluent建立非常态流体中超声空化泡的模型,包括使用前处理器gambit建模、划分非结构网格,并验证网格有效性,以及利用多相流模型和流体体积分数方法构建空化泡与流体的交界面。然后通过分析亚临界水和超临界二氧化碳的流体特点,确定边界条件以及初始参数,进行单个超声空化泡的动力学模拟,并与同等条件下的常态流体进行对比,从形态、压力、速度的变化分析非常态流体中的空化机理。结果表明:(1)在超声声压幅值为5 MPa,频率为20 k Hz,流体静压力为5 MPa时,常温水的空化效果比亚临界水中的空化效果更好;(2)在超声声压为10 MPa,频率为20 k Hz,流体静压力取8 MPa时,超临界二氧化碳中的空化程度明显比同样条件下常温水中的更剧烈。为进一步探究非常态流体中超声空化的影响因素,通过控制变量法进行数值仿真,对比了流体参数和超声参数对空化泡动力学行为的影响,结果表明:(1)流体静压力的增加会抑制空化效果,体现在空化泡能够维持形态较长时间而不溃灭,空泡泡心处的速度较小。(2)较高的温度对空化有促进作用,流体介质为亚临界水时,温度的促进作用不及超临界二氧化碳中的空化效果明显。(3)在能够发生瞬态空化的前提下,提高超声频率能促使空化效应更加剧烈。