清华大学团队在《Experiments in Fluids》发表溶解气体对水空化影响的研究报告

作者及发表信息
本研究的通讯作者为清华大学工程力学系的Min Chen教授（邮箱：mchen@tsinghua.edu.cn），合作作者包括Buxuan Li和Youwei Gu。研究成果于2017年11月8日在线发表于Springer旗下期刊《Experiments in Fluids》（2017年卷58期，文章编号164），DOI号为10.1007/s00348-017-2449-0。

学术背景与研究目标
空化（cavitation）是流体力学中的核心现象，指液体在局部低压下形成蒸汽泡的过程。其应用广泛（如表面清洁、医疗超声），但也可能引发材料侵蚀和噪声问题。水的抗拉强度（tensile strength）是决定空化起始的关键参数，但既往研究对其数值存在争议，主要归因于水中杂质（如溶解气体）的影响。氧气和氮气作为空气中主要成分，是水中最常见的溶解气体，但其对水抗拉强度的定量影响尚不明确。本研究旨在通过声学空化实验，揭示溶解氧（O₂）和氮气（N₂）对水空化的作用机制，为工业应用中空化的调控提供理论依据。

实验方法与流程
1. 实验装置设计
- 采用聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）材质的150 mL实验腔体，配备高频超声换能器（1 MHz，焦距60 mm）、射频放大器及压电水听器（精度±14%）。通过真空泵预处理去除水中预存气泡，确保气体浓度控制的准确性。
- 创新点：使用聚焦超声脉冲在远离容器壁的体相水中生成负压，避免固体表面气泡干扰，并通过回声法（echo method）检测空化事件，阈值设为2 V电压信号差异（图3）。

1. 气体浓度控制

   • 通过恒温水浴（76-1A型恒温器）调节温度（依据图2的饱和溶解度曲线），向水中注入O₂或N₂至饱和状态（1小时曝气，经图4验证）。密封后冷却至298 K，确保气体浓度恒定。例如，20°C时O₂饱和溶解度约为0.03 mL/mL，N₂为0.015 mL/mL。

2. 抗拉强度测量

   • 对超纯水（电阻率18.2 MΩ·cm，有机碳 ppb）及含气水样施加5–9 μs超声脉冲（间隔1 ms），记录1000次脉冲的声压-空化概率曲线。通过Gu等（2016）提出的误差函数模型（公式1）拟合数据，定义抗拉强度为空化概率50%对应的压力值（即空化压力，cavitation pressure）。

3. 数据分析

   • 每组实验重复5次，计算均值及误差棒。通过曲线陡度（steepness，公式2）分析临界气泡成核自由能对压力的导数，对比经典成核理论（CNT）预测值。

主要结果
1. 气体浓度效应
- 图5-6显示，随O₂或N₂浓度升高，水的抗拉强度显著降低（如O₂浓度从0.015增至0.03时，空化压力下降约0.5 MPa）。这与Russell等（1974）的结论一致，表明溶解气体作为空化成核位点（cavitation nuclei），通过降低能量壁垒促进空化。

1. 气体类型差异

   • 图8-9表明，相同浓度下，含O₂水样的抗拉强度低于含N₂样品（如298 K时差值达0.3 MPa）。结合Sugimoto等（2004）的拉曼光谱研究，推测O₂分子周围水分子排布更疏松，导致氢键网络更易破坏。

2. 成核能量分析

   • 图7与图10显示，含气水样的曲线陡度低于CNT理论值，且O₂的陡度降幅大于N₂。这表明溶解气体降低了临界气泡成核的自由能导数，支持“气体分子通过削弱液体稳定性促进空化”的假说。

结论与价值
1. 科学意义
- 首次定量揭示了溶解气体浓度与类型对水抗拉强度的影响规律，证实O₂的促空化效应强于N₂。为异质成核（heterogeneous nucleation）理论提供了实验支持，深化了对空化起始机制的理解。

1. 应用价值

   • 为工业设备（如燃料喷嘴、液压系统）的空化控制提供优化依据：通过调节流体中O₂/N₂比例，可精准调控空化阈值以平衡其有益效应（如清洁）与危害（如侵蚀）。

2. 假说与展望

   • 提出“溶解气体降低临界气泡成核自由能”的假说，建议通过分子动力学模拟验证。未来可扩展至惰性气体等更多杂质类型的研究。

研究亮点
1. 方法创新
- 开发高精度气体浓度控制与回声检测联用技术，解决了传统声学空化实验中气泡干扰难题。
2. 发现新颖性
- 首次明确O₂与N₂对空化的差异性影响，挑战了“气体仅通过物理成核作用促进空化”的传统观点。
3. 跨学科价值
- 融合流体力学、声学与材料科学，为医疗超声、能源装备等领域的空化应用提供理论工具。

（注：全文引用文献均来自原文档，实验数据与图表编号对应原文。）