关于文章《Jet reversal and bubble dynamics near gas-entrapped surfaces》的学术报告

作者与研究机构及发表信息

本文的主要作者为Xiao-Tian Xiang（相笑天）、Da-Hao Xie（谢达豪）、Jun-Jie Zhou（周俊杰）、Shi-Ping Wang（王诗平）及Hengzhu Bao（包恒竹）。作者分别隶属于哈尔滨工程大学南海研究院、哈尔滨工程大学船舶工程学院、苏州科技大学物理科学与技术学院及其光子中心先进技术研究院。本研究于2024年12月19日发表在《Physics of Fluids》（DOI: 10.¹⁰⁶³⁄₅.0244760）上。

研究背景

气泡的动力学，尤其是气泡喷射现象，在水利工程、爆炸动力学以及生物医学等领域具有广泛的应用和研究价值。该现象主要涉及气泡在坍缩时产生的高速射流和/或冲击波，其可导致对固体表面的侵蚀或其他影响（如清洁效应）。其中，近表面气泡与固体墙面、自由液面或混合边界的相互作用受到广泛研究，但对于含气结构（gas-entrapped structures）中气泡喷射动力学的研究相对较少，尤其是小气孔与气泡相互作用在喷射样式和喷射方向上的规律仍未系统明确。

本文针对这种问题，通过实验方法研究了捕气表面附近气泡的动力学行为，特别是气泡反向喷射现象，并借助无量纲参数分析总结了气泡喷射的主要样式及影响因素，旨在为抑制气蚀侵蚀提供理论和技术支持。

研究目标

本研究探讨了捕气表面与气泡动力学之间的相互作用，尤其是不同捕气表面的几何结构对气泡喷射方向、喷射样式以及喷射速度的影响。通过控制实验参数（如孔深eh、孔面积比ea以及无量纲距离c）和设计捕气表面（气孔矩阵分布），研究捕气结构的气体特性是如何影响气泡坍缩过程及射流方向的。

研究流程

本研究分为几部分，通过高精度实验设计，探索了不同无量纲参数对气泡动力学的影响。以下是研究的具体流程：

1. 捕气表面及实验设置的设计：
实验采用边长500mm的立方水箱以最大限度减少边界效应，捕气表面为通过3D打印技术制成的光固化结构，其表面为均匀分布的小孔矩阵，可在水下形成气-液界面，具体参数如孔深eh（h/d比例）和孔面积比ea（孔面积与中心间距比）。气泡的产生采用高压放电技术，放电电压为300V，光栅方法用于监测气泡并用计算技术提取气泡体积等关键数据。

2. 参数研究与无量纲化模型的建立：
实验探讨了三类关键无量纲参数的作用：（1）c值，即气泡与捕气表面的间距与气泡最大自由场半径rmax之比；（2）孔深参数eh；（3）孔面积比ea。此外，引入了统一体积无量纲化参数a（a=ea×eh），用于量化捕气表面上气孔的气体总量，同时建立了三参数与喷射结果间的统一关系。

3. 数据记录及处理：
采用高速相机（每秒36,000帧）记录气泡生成与坍缩过程，利用图像分割与数学积分技术提取气泡在不同时间点的体积及流体流动的速度场数据。同时，针对不同尺寸及几何形态的捕气结构，重复实验以确保数据的可靠性。

4. 气泡喷射样式的参数化与影响分析：
实验记录从“向前喷射（toward jets）”到“向后反喷（backward jets）”以及“两侧喷射（divided jets）”的不同样式，量化了不同样式下射流方向、速度及气泡半径演化的数据特征并构建喷射类型随各参数变化的分布图。

实验结果

1. 捕气结构深度对气泡喷射的影响：
在较高ea（0.12）的情况下，随着eh由1.7增加到2.3，喷射样式由两侧喷射转移到向后反喷。这反映了较深气孔形成更明显的类似自由液面效应，从而引导气泡朝相反方向（远离固体边界）射流。同时，随着孔深增加，气泡最大半径rmax和振动周期显著降低，表明捕气表面对固体边界效应有一定削弱作用。

2. 孔面积比对气泡喷射的影响：
在较低ea值（0.08）的情况下，捕气表面表现出更多的固体边界特性，喷射样式主要为朝向喷射，且仅在高孔深eh的情况下出现分散喷射转变。从低ea到高ea（如0.06到0.18），气泡喷射逐渐由固定方向转向复杂化，并在较高a值下完全逆转为反向喷射。

3. 统一体积参数a的影响：
统一参数a有效整合了ea与eh之间的影响，实验表明较大的a值通常与更强的反向喷射能力相关。例如，当a从0.128增加到0.306时，气泡喷射方向普遍从朝向变为完全向后。实验还显示，在更大的a范围内，气孔分布的几何细节对总体喷射方向影响较小。

4. 喷射速度的变化：
单向喷射，尤其是反向喷射的平均速度可达92 m/s，而向前喷射则接近100 m/s。对双向喷射的分析表明，其速度明显低于单向喷射，因为流体能量被拆分到两个方向。

研究意义与结论

本文通过实验研究揭示了气孔捕气结构对气泡动力学的显著影响，提出了关键参数（c, ea, eh）以及统一无量纲参数a的作用规律。研究指出，当捕气结构上气体含量足够大时，可显著减弱气泡对固体边界的侵蚀效果，从而通过控制喷射方向实现对气蚀的抑制。这一发现对流体力学、爆炸动力学以及医学应用（如碎石术）的气泡控制具有重要意义。

本文还提出了一种统一气体体积参数a的新分析方法，为预测不同结构下的气泡喷射方向及速度提供了一种通用工具。未来的研究可进一步扩展到探索其他几何形状的气孔分布，以验证该参数化模型的普适性。

研究亮点

1. 提出了一个统一非线性参数a，用于描述多种捕气表面结构对气泡喷射规律的影响。
2. 研究系统地揭示了孔面积比、孔深以及气泡边界距离对喷射样式的共同作用。
3. 成功实现了高精度无量纲参数分析，为复杂边界条件下的气泡动力学研究提供了理论框架。