单气泡溃灭射流在颗粒-壁面协同作用下的动力学研究学术报告

一、作者与发表信息
本研究的通讯作者为华北电力大学能源动力与机械工程学院的张宇宁教授（Yuning Zhang），共同作者包括王笑语（Xiaoyu Wang）、梁琪（Qi Liang）、杨轶豪（Yihao Yang）、沈钧炜（Junwei Shen）、冯政杨（Zhengyang Feng）等。研究于2024年10月18日发表在流体力学领域知名期刊《Physics of Fluids》（Volume 36, Issue 10, Article 103360），DOI编号为10.¹⁰⁶³⁄₅.0236265。

二、学术背景
本研究属于流体力学与空化侵蚀（cavitation erosion）交叉领域。在流体机械（如水泵、涡轮机）的过流部件中，空化气泡的剧烈溃灭会产生高速射流和冲击波，导致材料表面损伤。当流体中存在颗粒（如泥沙）时，颗粒与气泡的相互作用会进一步加剧或减缓壁面损伤，但其微观机制尚不明确。
传统研究多关注气泡在单一壁面或对称位置下的溃灭行为，而实际工况中气泡、颗粒与壁面的空间位置具有随机性。因此，本研究旨在建立颗粒-壁面协同作用下气泡溃灭射流动力学的普适理论模型，揭示颗粒与壁面对射流强度与方向的相对贡献机制，并定量分析关键参数（如颗粒尺寸、气泡位置）的影响。

三、研究流程与方法
1. 理论模型构建
- 物理模型：基于Weiss定理和镜像法（image method），建立了气泡在颗粒与刚性壁面之间任意位置时的边界条件处理方案（图1-2）。通过引入5个镜像气泡（image bubbles, IB1-IB5）和4个线性汇（linear sinks, LS1-LS4）模拟颗粒与壁面的协同效应。
- 开尔文冲量模型（Kelvin impulse model）：通过雷诺输运定理和非定常伯努利方程，推导了控制体的冲量关系，最终得到描述溃灭射流方向与强度的解析表达式（公式12-16）。模型中引入无量纲参数（表V），如颗粒半径（( r_p^* = rp/r{\text{max}} )）、气泡-壁面距离（( l_1^* )）等。

1. 实验验证系统

   • 实验装置（图4-5）：采用高速摄像系统（Photron SA-Z）记录气泡动力学行为，激光诱导空化气泡（波长1064 nm，脉冲能量50 mJ），通过三维位移平台精确控制气泡与颗粒/壁面的相对位置。
     
   • 数据处理：通过图像分析提取射流方向角( \theta )，误差控制在±1°以内。实验验证了理论模型预测的射流分界线（图7）及弱冲量区（weak Kelvin impulse zone）的存在性。
     

2. 参数化分析

   • 颗粒半径影响（图9-10）：随着无量纲颗粒半径( rp^* )增大（0.33~2.33），射流平衡点( l{1-\text{critical}}^* )非线性地向壁面靠近（从2.53降至2.26），表明颗粒对射流的吸引力增强。
     
   • 颗粒-壁面距离影响（图11-12）：减小( h^* )（2.67~4.33）会线性缩短平衡点距离，且颗粒主导区扩大。
     
   • 方位角影响（图19-22）：当气泡与颗粒中心水平对齐时（( \theta_b = 0° )），射流方向随气泡-颗粒距离( l_2^* )增大从指向颗粒转为垂直壁面；非对称位置下（如( \theta_b = 30° )），射流方向呈现复杂空间分布。
     

四、主要结果
1. 射流偏转与吸引区：颗粒会导致壁面附近的溃灭射流方向偏转，形成射流吸引区（jet attraction zone）。理论模型成功预测了该区域的空间位置（图7），实验验证误差%。
2. 弱冲量区与平衡点：在颗粒与壁面之间存在一个弱冲量区，其中存在冲量为零的平衡点（图8）。该平衡点位置随颗粒尺寸增大非线性趋近壁面，随颗粒-壁面距离减小准线性趋近。
3. 射流方向转变机制：当气泡与颗粒距壁面等距时，射流方向随气泡-颗粒距离增加从指向颗粒逐渐转为垂直壁面（图14），且颗粒的有效影响范围随其靠近壁面而缩小。

五、结论与价值
1. 科学价值：首次建立了颗粒-壁面协同作用下气泡溃灭射流的普适理论模型，填补了非对称位置下射流动力学研究的空白。
2. 应用价值：为流体机械中空化-颗粒协同侵蚀的预测与防护提供了理论工具，例如通过优化颗粒分布或壁面几何以削弱射流冲击。
3. 重要观点：颗粒与壁面的相对位置是控制射流方向的关键参数，而颗粒尺寸主要影响射流强度。

六、研究亮点
1. 方法创新：结合Weiss定理与镜像法的高阶边界处理方案，突破了传统单一边界模型的局限性。
2. 实验技术：通过高时空分辨率的高速摄像（200,000 fps）捕捉了微秒级射流偏转现象（图6）。
3. 理论突破：揭示了颗粒与壁面对射流强度的竞争机制（图9-11），提出了“弱冲量区”新概念。

七、其他发现
研究还发现，当气泡位于颗粒侧向（( \theta_b = 90° )）时，射流会形成“S形”方向转变曲线（图17），这一现象与颗粒曲率诱导的流场畸变直接相关。此外，冲击波分层现象（图13插图）为多物理场耦合研究提供了新方向。

（注：文中所有公式、图表编号均与原文献一致，专业术语如“Kelvin impulse”首次出现时标注英文。）