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用9億網(wǎng)格模擬近壁面空泡潰滅過程

       談起空泡，我們可能會(huì)回想起幼時(shí)吹的彩色泡泡，在空氣中漂浮，最后破碎。這樣美好的現(xiàn)象并不能讓人聯(lián)想到“殺傷力”、“致命”等恐怖的詞匯。不過，今天我們要談?wù)摰?strong>空泡，就是一種致命武器，上能威脅火箭，下能五洋捉魚。

　　日本H-2型號(hào)火箭在發(fā)射過程中，由于發(fā)動(dòng)機(jī)提供的推力不足，導(dǎo)致火箭在空中解體。經(jīng)調(diào)查主要原因是非穩(wěn)態(tài)空泡引起了軸流泵誘導(dǎo)輪的振動(dòng)破壞，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)效率大大降低。

　　圖1 日本H-2火箭發(fā)射失敗（圖片來源：https://v.youku.com/v_show/id_XMzc0NjA2NTE5Ng==.html）

　　海洋中的一些蝦類體積小巧，看似“人畜無害”，實(shí)則非常兇猛。以雀尾螳螂蝦為典型，它們把空泡作為絕妙的武器。

　　雀尾螳螂蝦在美麗的外表下，有一個(gè)“暴力的心”，當(dāng)利用巨大的錘肢敲打如螃蟹等獵物時(shí)，可以輕易地?fù)羲樾窔ぁＲ驗(yàn)殄N肢撞擊在蟹殼表面產(chǎn)生低壓區(qū)，生成空化現(xiàn)象，空泡潰滅產(chǎn)生潰滅高壓，從而引起了蟹殼破壞。

　　

　　

　　

　　圖2依靠高速射流空泡捕食 （圖片來源：https://v.youku.com/v_show/id_XMzAwNzI1NjE4OA==.html?spm=a2h0c.8166622.PhoneSokuUgc_5.dtitle）

　　

　　圖3 雀尾螳螂蝦敲打貝殼產(chǎn)生的空化現(xiàn)象（圖片來源：https://v.youku.com/v_show/id_XMzEzODQ4NTcxMg==.html?spm=a2h0c.8166622.PhoneSokuUgc_1.dtitle）

　　空泡有這么大殺傷力，那么它的形成機(jī)制到底是什么呢？

空泡是怎么形成的？

　　想要弄懂空泡的形成機(jī)制，首先要明白空化的原理。

　　空化與液體沸騰類似，都是由液態(tài)到氣態(tài)的相變現(xiàn)象。例如水，在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，溫度升高到100攝氏度以上就會(huì)發(fā)生沸騰。而空化是當(dāng)液體局部壓力快速降低到飽和蒸氣壓以下發(fā)生的相變現(xiàn)象。也可以理解成，在降低到飽和蒸氣壓以下后，液體中小氣核體積不斷膨脹，形成肉眼可見的空泡，然后在泡內(nèi)外壓強(qiáng)差作用下發(fā)生體積振蕩。因此，沸騰是一種熱的現(xiàn)象，而空化更多的是一種動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象。

　　舉個(gè)我們都親身經(jīng)歷過的例子，當(dāng)掰手指的時(shí)候，或者突然轉(zhuǎn)動(dòng)脖子和彎曲膝蓋時(shí)，關(guān)節(jié)會(huì)發(fā)出“咔咔”的響聲。很多人會(huì)覺得這是因?yàn)殛P(guān)節(jié)錯(cuò)位導(dǎo)致的脆響，但是真實(shí)的原因并非如此。（此時(shí)此刻，大家會(huì)不會(huì)開始掰手指了呢？）

　　關(guān)節(jié)腔內(nèi)有起潤滑作用的關(guān)節(jié)液，當(dāng)突然扭動(dòng)關(guān)節(jié)的時(shí)候，腔內(nèi)由于壓強(qiáng)降低，會(huì)生成一些小空泡，關(guān)節(jié)的響聲就是這些空泡潰滅引起的。這與雀尾螳螂蝦發(fā)出“噼啪噼啪”的響聲類似。當(dāng)群聚集時(shí)，它們發(fā)出的大量噪聲能夠影響水聲通訊，甚至能夠讓潛艇避開聲吶的探測(cè)追蹤。

　　

　　圖4 一位科普愛好者的親身示范：掰手指（圖片來源：作者提供）

　　

　　圖5 關(guān)節(jié)空腔內(nèi)空泡潰滅示意圖（圖片來源：https://v.youku.com/v_show/id_XNDY2ODU1MDYyMA==.html?spm=a2h0c.8166622.PhoneSokuUgc_2.dtitle）

　　在自然界中還有許多現(xiàn)象與空泡相關(guān)，影響著很多水生動(dòng)物的行為。

　　一些大型的哺乳動(dòng)物或魚類，游動(dòng)速度能夠超過15m/s，尾鰭處可能會(huì)產(chǎn)生空泡。有報(bào)道稱，海豚游動(dòng)的速度限制主要來自于空化，因?yàn)榭张轁鐣?huì)讓它們覺得很痛。而金qiang魚因?yàn)槲馋捠枪琴|(zhì)的，沒有神經(jīng)和疼痛感，瞬時(shí)最高時(shí)速能夠達(dá)到160km/h，學(xué)者就觀察到金qiang魚尾鰭上有一些由于空泡潰滅而形成的小坑。

小小的空泡為什么會(huì)有這么大的威力？

　　空泡內(nèi)的主要成分是水蒸氣，其運(yùn)動(dòng)行為主要由壓力控制，外部高壓作用下，氣泡會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的坍縮潰滅。這種潰滅能夠?qū)⒄麄€(gè)空泡的勢(shì)能集中于一個(gè)非常小的點(diǎn)上，能量密度非常高。據(jù)計(jì)算，潰滅時(shí)溫度能高達(dá)幾萬攝氏度以上，甚至產(chǎn)生光和聚變，即聲致發(fā)光（sonoluminesence）和聲致聚變（Sonofusion）現(xiàn)象。

　　在潰滅過程中，高速射流和高壓沖擊波是最主要破壞手段。空化產(chǎn)生的球形空泡，在高壓環(huán)境中，被壓縮成非球形。在此過程中產(chǎn)生了非常高的沖擊速度，誘導(dǎo)沖擊波產(chǎn)生。這種過高的速度對(duì)壁面會(huì)引起腐蝕作用。

　　單個(gè)氣泡雖小，累積起來的威力是非常巨大的，會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生明顯的剝蝕破壞，被稱為“空蝕”或“氣蝕”。現(xiàn)實(shí)生活中能夠體現(xiàn)空泡巨大威力的一個(gè)例子來自于水利領(lǐng)域。下圖是胡佛水壩的泄洪通道，泄洪時(shí)的高速水流會(huì)產(chǎn)生巨大的負(fù)壓區(qū)和大量的空泡，空泡潰滅在洞壁處挖了一個(gè)巨大的洞（紅色箭頭所指的是洞口，洞旁紅圈所圍住的白色部分是一個(gè)工作人員）。

　　

　　圖6 胡佛水壩溢洪道由于空蝕形成的大洞 (圖片來源：參考文獻(xiàn)[3])

　　另一個(gè)例子是水翼、螺旋槳、水輪機(jī)葉片。由于高速運(yùn)轉(zhuǎn)，在物體表面的低壓區(qū)也會(huì)產(chǎn)生大量的空泡。空泡潰滅會(huì)產(chǎn)生局部高能沖擊載荷進(jìn)而誘導(dǎo)表面的空蝕破壞（如下圖），而壓力脈沖的累積效應(yīng)也能夠誘發(fā)強(qiáng)烈的振動(dòng)、噪聲等問題。螺旋槳空泡噪聲是潛艇隱蔽性中的重要問題。因此，在高速水動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域，空泡潰滅可以說是工程應(yīng)用中的頭號(hào)敵人。

　　

　　圖7 水輪機(jī)葉片典型的空蝕結(jié)構(gòu)破壞圖 (圖片來源：參考文獻(xiàn)[4])

　　

　　圖8 用9億網(wǎng)格模擬近壁面空泡潰滅過程 （圖片來源：參考文獻(xiàn)[5]）

破壞大王空泡也可以為人類所用

　　雖然空泡潰滅具有強(qiáng)大的破壞力，但只要加以正確的引導(dǎo)，其潰滅產(chǎn)生的能量也可以為人類所用。

　　超聲清洗是空泡潰滅最常見的應(yīng)用方式。我們洗眼鏡用到的超聲清洗機(jī)、刷牙時(shí)用的聲波震動(dòng)式電動(dòng)牙刷，都是用超聲波的方式在水中產(chǎn)生大量小空泡，利用空泡潰滅的壓力來剝落污垢的。目前，空泡潰滅的原理在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域已廣泛用于碎石（下圖）、吸脂、殺菌、造影、藥物輸運(yùn)、溶栓治療等等，甚至是美容領(lǐng)域（下圖）等等。超聲臉部美容儀不僅具有清潔皮膚作用，產(chǎn)生微細(xì)的按摩作用，可以改善臉部的血液循環(huán)功能，提高新陳代謝，是“乘風(fēng)波浪的姐姐和哥哥們”的不二之選。

　　

　　圖9 超聲波在美容領(lǐng)域的應(yīng)用：清潔皮膚、緊致去皺、瘦身瘦面等（圖片來源：veer圖庫）

　　另一方面，通過對(duì)自然界中“自帶空泡武器”生物的研究，極大地促進(jìn)了相關(guān)工程領(lǐng)域的研究進(jìn)展。比如，基于雀尾螳螂蝦的“蝦光原理”，我們成功打造了激波等離子體裝置，可以有效攻擊目標(biāo)結(jié)構(gòu)。同樣的產(chǎn)生空化的仿生原理也應(yīng)用于地?zé)徙@探、水下聲學(xué)消波等。

　　

　　圖10 仿生蝦裝置的示意圖與模型(圖片來源：參考文獻(xiàn)[6])

　　參考文獻(xiàn):

　　[1] Deadly strike mechanism of a mantis shrimp”, Nature, 2004

　　[2] Dolphins swim so fast it hurts”, New scientists, 2008

　　[3] Warnock, J.E. (1945). Experiences of the Bureau of Reclamation. Proc. Amer. Soc.Civil Eng., 71, No.7, 1041--1056.

　　[4] Christopher E. Brennen. An introduction to cavitation fundamentals, 2011

　　[5] Temperatures produced by inertially collapsing bubbles near rigid surfaces J. Fluid Mech. (2018), vol. 852, 105-125.

　　[6] X. Tang, D. Staack, Bioinspired mechanical device generates plasma in water via cavitation. Sci. Adv. 5, eaau7765 (2019).

　　作者單位：中國科學(xué)院力學(xué)研究所