激光诱导空化气泡在毫米级液滴内部动力学的数值研究——一份综合性学术报告
一、作者团队与发表信息 本研究由韩国釜山国立大学机械工程学院的Thanh-Hoang Phan（通讯作者）、Van-Tu Nguyen、Trong-Nguyen Duy及Warn-Gyu Park教授团队共同完成，发表于美国物理联合会（AIP）旗下期刊《Physics of Fluids》2024年36卷第023334号，于2024年2月20日正式在线发布。研究获得了韩国国家研究基金会（NRF）的资助支持。
二、学术背景与研究动机 该研究属于流体力学与多相流交叉领域，聚焦于受限空间中空化气泡（cavitation bubble）的非线性动力学行为。空化现象广泛存在于自然界与工程应用中，从海洋工程到生物医学（如超声波碎石）均有关键影响。既往研究多关注平坦边界或刚性壁面附近的空泡行为，而气泡在弯曲自由表面（如液滴内部）的动力学机制尚不明确。
研究团队发现现有文献存在三个关键局限：(1) 传统Rayleigh-Plesset模型无法解释液滴曲率的影响，(2) 实验观测难以捕捉微秒级瞬态过程，(3) 液滴表面射流（jetting）的形成机制缺乏定量分析。为此，本研究通过开发先进的三相可压缩模型，系统探究了气泡-液滴半径比（radius ratio）对空泡坍塌时间和液滴表面不稳定性的影响规律。
三、研究方法与技术路线 1. 数值模型构建 采用”三相完全可压缩均质模型”（three-phase fully compressible homogeneous model），包含： - 相变模拟：集成冷凝质量传输模型（condensation mass transfer model），系数CCond=0.13s⁻¹ - 界面捕捉：开发双界面输运方程（interface advection equations），分别追踪蒸汽相（yv）和非冷凝空气相（yg） - 状态方程：水相采用IAPWS标准，气/汽相采用理想气体状态方程 - 声速修正：通过混合介质声速公式（式8）处理激波与稀薄波传播
四、关键发现与结果分析 1. 液滴约束效应量化 - 坍塌时间因子k(α)随半径比单调递减，当α=0.5时k(α)=0.776，比Rayleigh理论值降低15% - 发现两个临界值：α<0.11时液滴影响可忽略；α>1.34时气泡-液滴体系发生溅射（splashing） - 首次最大气泡半径随α增加而增大，二次反弹半径在α=1.2-1.34区间显著衰减
液滴表面动力学 通过表面速度场定量表征四种运动模式： (1) 稳定态（α<0.67）：最大表面速度1.5m/s，速度波动<0.5m/s (2) 多刺波（α=0.84）：形成6个轴对称水刺（spike），速度波动幅值1.0m/s (3) 通气射流（α=1.12）：产生3-4股马赫数0.3的微射流（microjet） (4) 溅射态（α=2.23）：表面速度超100m/s导致液滴爆裂
机理揭示
五、研究价值与创新点 科学价值： 1) 建立了受限液滴中空泡动力学的新标度律，修正了传统Rayleigh理论 2) 阐明了曲率半径对空泡坍塌能量分配的影响机制 3) 提出基于表面拓扑结构的射流预测模型
应用前景： 1) 微滴注射（needle-free injection）的精确控制 2) 表面清洁（surface cleaning）中的空化优化 3) 超声波碎石（lithotripsy）中的组织保护策略
方法论创新： 1) 首个考虑冷凝相变的三相可压缩模型 2) 开发双界面捕捉算法处理剧烈变形 3) 引入声速修正项准确模拟激波传播
六、研究亮点 1. 首次通过数值手段重现液滴内部空泡诱导的四种运动模式 2. 发现半径比对坍塌时间的非线性调制效应 3. 揭示表面凹陷几何与射流速度的定量关系（R²=0.91） 4. 模型预测与Rosselló等（2023）实验数据误差%
七、补充发现 研究还观察到两个特殊现象： 1. 二次空化产生的微气泡云（microbubble cluster）呈现环形分布 2. 液滴下落速度（ud）会改变临界半径比阈值（未发表数据）
该研究为微尺度多相流控制提供了新的理论基础和技术工具，相关代码已通过通讯作者开放获取。团队下一步计划结合X射线成像技术开展实验验证。