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作者及机构信息
本研究由中国科学院力学研究所流固耦合系统力学重点实验室的钟玉雪、杜岩、丘润荻、肖志坚、黄荐、王志英、王静竹（通讯作者）及王一伟合作完成，发表于《Acta Mechanica Sinica》2023年第39卷，论文标题为《Seal types of water-entry cavities generated by the impact of spheres with decreasing Bond number》，DOI编号10.1007/s10409-023-22482-x。

学术背景
研究领域为流体力学中的入水空泡动力学（water-entry cavity dynamics）。当物体高速撞击液体表面时，会形成空气空泡，其闭合行为（seal types）受邦德数（Bond number, Bo）和韦伯数（Weber number, We）等无量纲参数调控。以往研究多关注高Bo（Bo > 10⁻¹）条件下的空泡闭合机制，而低Bo（Bo < 10⁻²）下因小尺寸球体难以实现高速撞击，相关实验数据匮乏。本研究旨在通过激光驱动方法（laser-driven method）解决这一技术瓶颈，系统探究低Bo范围内空泡闭合类型的转变机制及其物理成因。

研究流程与方法
1. 实验设计与装置
- 激光驱动系统：采用532 nm脉冲激光（MQU-700-III）聚焦于铝膜，产生等离子体推动不锈钢球体（半径0.25–0.75 mm，密度7850 kg/m³）以1–10 m/s速度撞击水面。
- 高速成像：使用Phantom V1612相机（16000–24000 fps）记录空泡演化过程，结合白光背光照明确保图像清晰度。
- 参数范围：通过调节球体半径和激光能量，覆盖Bo=7.57×10⁻²–8.41×10⁻³、We=10–10³的工况。

1. 数据采集与分析

   • 空泡闭合类型分类：基于空泡颈部（cavity neck）的闭合位置和时间，定义了四种闭合类型：准静态（quasi-static）、浅闭合（shallow seal）、深闭合（deep seal）和表面闭合（surface seal）。
     
   • 动力学参数提取：通过图像处理量化空泡颈部横截面半径、夹断时间（pinch-off time）及球体减速曲线。
     
   • 压力差模型：建立空泡颈部压力差方程（式1），综合表面张力、气动压力和静水压力作用，分析其对闭合行为的影响。

2. 关键创新方法

   • 激光驱动技术：自主研发的激光驱动装置解决了小尺寸球体高速撞击的技术难题，实验速度可达数百米每秒。
     
   • 跨尺度参数关联：首次通过实验关联低Bo条件下We与闭合类型的定量边界（We≈64和326）。

主要研究结果
1. Bo=1–7.57×10⁻²范围内的闭合类型
- 随着撞击速度（u₀）增加，闭合类型依次从准静态转变为浅闭合、深闭合及表面闭合。深闭合的特征是首次夹断发生在球体与自由液面之间1/3–1/2深度处（图2c），其机制与颈部横截面的夹断时间（tsn）随u₀增加而延长相关（图3）。
- 压力差分析（图6-7）：表面张力主导空泡收缩，但总压力差Δp随u₀降低，使得高能撞击时空泡扩张更显著（tsn延长），促使浅闭合向深闭合转变。

1. Bo=5.69×10⁻²–8.41×10⁻³下的闭合行为突变

   • 深闭合消失，仅保留准静态、浅闭合和表面闭合（图9）。小半径球体（如r₀=0.6 mm）因动量传递不足，颈部最大半径（rmax）减小，且压力差Δp增大（图12-13），导致tsn缩短，浅闭合直接跃迁至表面闭合。

2. 参数化规律

   • 通过We-Bo相图（图14）确立闭合类型边界：We≈64（准静态→浅闭合）和We≈326（浅闭合→表面闭合）。深闭合仅在Bo>7.57×10⁻²时存在。

结论与价值
1. 科学意义
- 揭示了低Bo条件下空泡闭合的动态机制，填补了小尺度入水空泡研究的实验空白。
- 提出表面张力与气动压力的竞争效应是闭合类型转变的核心驱动力，深化了对多相流中界面现象的理解。

1. 应用价值
   
   • 为微纳尺度入水工程（如微机器人水下操作、药物递送系统）提供理论支撑。
     
   • 激光驱动方法可拓展至其他微尺度流体动力学实验。

研究亮点
1. 方法创新：激光驱动技术实现了小球体高速入水的可控实验，突破传统实验限制。
2. 发现创新：首次报道低Bo下深闭合消失的现象，并建立We-Bo定量边界。
3. 理论贡献：通过压力差模型解析了闭合类型转变的物理机制，为后续数值模拟提供验证基准。

其他有价值内容
作者指出未来将研究Bo<8.41×10⁻³时深闭合的再次出现机制，并计划结合PIV（粒子图像测速）和数值模拟进一步探究空泡动力学。