这篇文档属于类型a，即报告了一项原创性研究。以下是针对该研究的学术报告：

一、作者及发表信息

本研究由Qingmiao Ding（中国民航大学航空工程学院）、Xiaoman Li（中国民航大学交通科学与工程学院）、Yanyu Cui（中国民航大学航空工程学院，通讯作者）、Junda Lv（中国航空油料有限公司）、Yunlong Shan（中国民航大学）和Yongqiang Liu（北京航空航天大学能源与动力工程学院）合作完成，发表于期刊Processes（2024年3月12日，卷12，第553页），开放获取（CC BY 4.0协议）。

二、学术背景

研究领域：空化气泡（cavitation bubble）动力学，涉及船舶工程、海洋工程、机械工程、化工及航空航天等领域。
研究动机：空化气泡在边界附近会发生非球形变形（non-spherical deformation），产生高速微射流（micro-jet）和高幅载荷，对材料表面具有破坏性。此前研究多关注单一边界（如自由表面、刚性边界、弹性边界）对气泡的影响，但复合边界下的非球形变形速度分布尚未充分探索。
研究目标：通过实验分析激光诱导空化气泡在不同边界（自由表面、刚性边界、弹性边界及复合边界）附近的非球形塌陷动力学，量化气泡表面速度分布，揭示变形机制与边界类型的关联。

三、研究流程与方法

1. 实验装置

• 激光诱导气泡系统：采用DAWA系列Nd/YAG纳秒激光器（能量100–300 mJ），在透明亚克力水槽（100×100×100 mm³）中生成单气泡，忽略侧壁效应。
  
• 高速摄像技术：使用Phantom VEO相机（最高423,350 fps，分辨率1280×960像素），配合脉冲光源和同步控制器，记录气泡脉动过程。
  
• 三维移动平台：控制气泡与边界的距离（精度0.01 mm），实验参数包括最大等效半径R_m=1.20 mm，边界距离R=1.30（弹性边界额外测试R=1.15）。
  

2. 全场速度计算

• 原理：基于泰勒展开的局部速度场近似，通过图像互相关和位移测量计算速度分布。
  
• 验证方法：采用峰值高度验证（阈值0.15）和通用异常值检测算法（限值2.00），确保数据准确性。
  
• 软件：自主研发的流速处理软件，支持瞬态多空间点速度记录，并与Rayleigh理论模型对比验证。
  

3. 实验设计

• 自由场气泡：作为对照组，观察无边界干扰下的球形膨胀与收缩。
  
• 单一边界实验：
  
  • 自由表面：气泡塌陷时形成近半球形（near-hemispherical shape），表面速度分布不均。
    
  • 刚性边界：气泡塌陷为近椭球形（near-ellipsoidal shape），边界附近出现低速区。
    
  • 弹性边界：气泡呈近锥形（near-cone shape），边界变形导致流动场扰动。
    
• 复合边界实验：自由表面与刚性边界共存时，气泡形成近豌豆形（near-pea shape），速度最大值偏离垂直方向。
  

四、主要结果

1. 自由场气泡：

   • 膨胀阶段（0–100 μs）和收缩阶段（120–220 μs）均保持球形，速度分布均匀，验证了实验系统的可靠性。
     

2. 自由表面附近气泡：

   • 收缩阶段（171.36 μs），上表面速度（5.6 m/s）显著高于下表面，自由表面的排斥效应导致非球形变形。
     
   • 无量纲距离*R*越小，Bjerknes力（Bjerknes force）和速度差异越大（图5b）。
     

3. 刚性边界附近气泡：

   • 收缩阶段，边界附近速度被抑制，远离边界侧速度较高，吸引效应主导变形（图7）。
     
   • 水平方向速度差随*R*增大而减小（图8），符合镜像理论预测。
     

4. 弹性边界附近气泡：

   • R=1.30时变形不明显，R=1.15时出现锥形塌陷，边界凸凹变形导致环形射流（annular liquid jet）。
     
   • 速度分布兼具自由表面和刚性边界特征，最大速度出现在边界两侧（图11）。
     

5. 复合边界效应：

   • 气泡塌陷时尖端斜向下凹陷，速度最大值偏向刚性边界方向（图13），表明Bjerknes力的矢量叠加效应。
     

五、结论与价值

1. 科学意义：

   • 揭示了不同边界条件下气泡非球形变形的动力学机制，明确了自由表面的排斥作用、刚性边界的吸引作用及弹性边界的双向影响。
     
   • 提出了气泡表面速度分布与边界距离的定量关系，为理论模型（如Kelvin冲量模型）提供了实验支持。
     

2. 应用价值：

   • 医学领域：指导空化效应在医疗（如溶栓治疗）中的安全应用，通过控制气泡与组织的距离减少溶血或血管损伤风险。
     
   • 工程领域：优化流体机械设计，避免空化破坏。
     

六、研究亮点

1. 方法创新：

   • 结合高速摄像与全场速度计算，实现了气泡表面速度的非接触式高精度测量。
     
   • 开发了同步控制与验证算法，提升了数据可靠性。
     

2. 发现创新：

   • 首次报道了弹性边界附近气泡的锥形塌陷形态及环形射流现象。
     
   • 揭示了复合边界下气泡速度矢量的非对称分布规律。
     

七、其他价值

• 实验数据公开（DOI:10.3390/pr12030553），可供后续研究直接调用或验证数值模拟结果。
  
• 研究得到中国民航大学研究生科研创新项目（2022yjs069）和教育部春晖计划（hzky20220606-202201390）支持。
  

该研究通过多边界实验设计，为空化气泡动力学的理论完善和工程应用提供了重要依据。