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激光诱导空化气泡中非凝结性气体效应的实验研究

作者及机构
本研究由瑞士洛桑联邦理工学院（École Polytechnique Fédérale de Lausanne）机械工程研究所的Davide Bernardo Preso、Armand Baptiste Sieber和Mohamed Farhat，以及法国索邦大学（Sorbonne Université）国家科学研究中心（CNRS）的Daniel Fuster合作完成。论文于2024年1月30日发表在预印本平台arXiv（编号：2401.15421），隶属于流体动力学（Physics.flu-dyn）领域。

学术背景
研究聚焦于非凝结性气体（non-condensable gas）对激光诱导空化气泡（laser-induced cavitation bubbles）动力学及溃灭发光（luminescence）的影响。空化现象在流体力学、声化学和生物医学等领域具有重要应用，但溶解气体对气泡行为的调控机制尚不明确。前人研究（如Fujikawa和Akamatsu的模型）指出，气泡内非凝结性气体可能通过阻碍蒸汽凝结改变溃灭过程，但实验证据存在矛盾（如Baghdassarian等未观察到气体浓度对发光的显著影响）。本研究旨在通过系统调控水中空气饱和度，量化气体对气泡溃灭能量耗散和发光特性的作用，为相关技术（如空化蚀损防护、声化学反应优化）提供理论依据。

研究流程与方法
1. 实验系统构建
- 气泡生成装置：采用浸入式抛物面镜（immersed parabolic mirror）产生高球形度激光气泡，最大半径R₀≈1.7 mm（波动±4%）。测试腔体为透明立方体，容积足够大以避免边界干扰（各向异性参数ζ≈4×10⁻⁴）。
- 气体调控系统：通过膜接触器（3M Liqui-Cel系列）闭环控制水中空气饱和度（m*/m∞，范围0.11–0.97）。氧气浓度由温度补偿传感器（PreSens Fibox 3）实时监测，氮气平衡通过延长脱气时间确保。水温稳定在24.6–24.8°C，环境压力p∞=96.6 kPa。

1. 动力学与发光测量

   • 高速阴影成像：Shimadzu HPV-X2相机以5×10⁵帧/秒拍摄气泡演化，曝光时间200 ns。通过Keller-Miksis模型拟合半径-时间曲线，计算气泡内非凝结性气体分压pg0（公式：pb(t)=pv+pg0(R₀/R)^(3γ)）。
     
   • 发光信号采集：Thorlabs硅探测器（1 ns响应时间）记录溃灭光脉冲，经二次抛物面镜聚焦增强紫外透射率。发光能量Elum通过积分电信号平方值获得（公式2），并乘以几何收集效率系数ψ=0.067⁻¹。
     

2. 数据分析

   • 能量参数化：定义初始势能Ep0=(⁴⁄₃)πR₀³(p∞−pv)和回弹势能Ep1，归一化处理数据以消除激光能量波动影响。
     
   • 统计方法：每组饱和度条件下进行10次动力学测量和30次发光测量，计算平均值及标准误差，线性回归分析趋势显著性。
     

主要结果
1. 气泡动力学
- 溃灭时间（Rayleigh时间tr=0.915R₀√ρ/p∞）与气体浓度无关，但回弹半径R₁随m*/m∞升高呈线性增长（0.11至0.97饱和度下增加12%）。Keller-Miksis模型显示pg0仅从3.4 Pa增至5.4 Pa，远低于亨利定律预测的十倍变化，表明气体进入气泡的效率受限。
- 对比34 Pa的理论曲线（图2插图），实际气泡回弹更弱，说明非凝结性气体通过抑制蒸汽凝结主导回弹能量分配，与Fujikawa-Akamatsu模型一致。

1. 发光特性
   
   • 发光能量Elum随m*/m∞显著上升（图3b），与单泡声致发光（sonoluminescence）研究（Hiller等）结论吻合。发光脉冲为单峰（半高宽≈10 ns），证实球形溃灭（图4）。
     
   • 与Baghdassarian等矛盾结果的差异可能源于统计样本量不足（前人未进行多组重复）。作者提出表面扰动（surface perturbations）假说：低气体浓度下气泡溃灭收缩更强，导致形变加剧并降低发光效率。
     

结论与价值
1. 科学意义
- 首次量化了空气饱和度对激光气泡溃灭能量分配的影响，证明非凝结性气体通过调控蒸汽-气体相互作用主导回弹动力学。
- 揭示了发光强度与气体浓度的正相关性，为声化学应用（如反应速率优化）提供参数指导。

1. 技术应用
   
   • 空化蚀损防护：微小气体浓度变化可能通过累积效应显著改变材料损伤阈值，需进一步研究。
     
   • 数值模型改进：现有模型需纳入气体输运非平衡过程（如等离子体重组贡献约10⁻¹¹克氢气，Baghdassarian方法估算溶解气体贡献约10⁻¹⁰–10⁻¹⁴克）。
     

研究亮点
1. 方法创新
- 开发高精度气体饱和度闭环控制系统，结合双抛物面镜光路设计，实现弱扰动条件下的多参数同步测量。
- 首次将Keller-Miksis模型与统计分析方法结合，解析pg0的亚饱和依赖性。

1. 理论突破
   
   • 提出“形变-发光”耦合机制，调和前人矛盾结论，为跨尺度空化研究建立新框架。
     

其他发现
- 水温波动（±0.3°C）导致蒸汽压变化（≈56 Pa）对结果趋势无干扰，佐证非凝结性气体的主导作用。
- 溃灭阶段数据离散性（图2）揭示初始等离子体各向异性（plasma anisotropies）和液体杂质对微尺度过程的敏感影响，建议后续研究引入时空分辨光谱技术（如Liu等2023年方案）直接探测气泡内气体组分。

此报告完整呈现了研究的学术逻辑链条，从实验设计到理论解释均包含细节支撑，符合学术共同体的交流规范。