单瞬态空化气泡生成方法的实验评估

作者及发表信息

本研究由斯洛文尼亚卢布尔雅那大学机械工程学院的Darjan Podbevšek、Žiga Lokar、Jure Podobnikar、Rok Petkovšek和Matevž Dular共同完成，于2021年7月19日在线发表在Experiments in Fluids期刊（2021年第62卷第167期）。

学术背景

空化（cavitation）是液体中因压力降至蒸汽压以下时形成气态空穴的现象，广泛存在于流体动力学、材料科学、生物医学等领域。空化气泡的动态行为直接影响其产生的效应，如空蚀（erosion）、声化学（sonochemistry）和医疗应用（如碎石术）。然而，不同实验方法生成的空化气泡特性差异显著，可能导致研究结果的不可比性。因此，本研究系统比较了四种常用的单瞬态空化气泡生成技术：脉冲激光法（pulsed laser technique）、高低电压火花放电法（high/low-voltage spark discharge）和管骤停法（tube arrest method），旨在为研究者提供方法选择的科学依据。

研究方法与流程

1. 实验技术改进与比较

研究团队对四种技术进行了优化，重点关注气泡的重复性、可控性和球形度（sphericity）：
- 管骤停法（TAM）：传统弹簧驱动改为气动驱动，通过压缩空气推动液体柱骤停产生张力波。改进后的装置通过加速度计监测冲击减速度（1000–7000 m/s²），并采用底部固定成核针减少气泡变形。
- 高压放电（HVD）：使用16 kV压电点火器产生火花放电，钨电极间距（50–500 μm）调节气泡大小。该方法在低电导率液体（<20 μS/cm）中效果最佳。
- 低压放电（LVD）：电路设计支持电容可调（2200–6800 μF），电压范围20–60 V，通过焦耳热（Joule heating）生成气泡。
- 脉冲激光法：作为基准技术，采用1064 nm Nd:YAG激光，通过光学击穿（optical breakdown）产生气泡。

2. 实验参数与数据分析

• 气泡动力学：通过高速摄影（最高480,000 fps）记录气泡生长、坍塌和回弹过程，测量最大半径（Rmax）和生命周期（τ）。
  
• 理论模型验证：使用Rayleigh-Plesset方程（RPE）预测气泡坍塌时间，对比实验数据。
  
• 环境参数影响：测试了液体电导率（0–200 mS/cm）和温度（5–45°C）对气泡特性的影响。
  

主要结果

1. 管骤停法：

   • 气泡生长时间占生命周期的2/3，显著长于理论预测（RPE模型为1:1），因压力波在管中多次反射延长了坍塌过程。
     
   • 在减速度3000 m/s²以上时，气泡表面出现射流（jetting）和失稳现象（图7e）。
     

2. 电放电技术：

   • HVD：气泡大小与电极间距正相关（50–300 μm有效范围），生命周期符合RPE预测（τg/τ≈0.5）。
     
   • LVD：电容和电压分别线性及平方根影响气泡体积，但生长时间较长（τg/τ≈0.6–0.65），因持续放电干扰。
     
   • 电导率>20 μS/cm时，HVD失效，而LVD可通过电解液生成气泡（图9c）。
     

3. 脉冲激光法：

   • 气泡半径与激光能量呈Rmax ∝ El^¹⁄₂.6关系，30%能量转化为气泡能，生命周期严格遵循RPE模型。
     

4. 球形度与重复性：

   • 所有方法在首次振荡周期内均能产生球形气泡（等周商>0.9），但回弹阶段因固体边界干扰变形（图11）。
     
   • 激光法的重复性最佳，TAM受成核点控制影响较大。
     

结论与价值

本研究证实：
1. 技术适用性：激光法适合高精度基础研究，HVD/LVD适用于电导率敏感场景，TAM可模拟大尺度空化现象。
2. 理论修正：TAM因压力波反射需修正RPE模型；电放电技术的能量传递效率需纳入焦耳热损耗。
3. 应用指导：提供了各技术的参数范围（如TAM减速度、HVD电极间距），并开源改进装置设计（如气动TAM驱动）。

研究亮点

1. 方法学创新：首次将气动驱动引入TAM，开发了低成本压电HVD装置。
   
2. 跨技术比较：揭示了不同生成机制对气泡动力学的影响，如电放电的持续能量输入与激光的瞬时沉积差异。
   
3. 工程价值：为生物医学（如空化消融）、工业（空蚀防护）提供了实验方法选择指南。
   

其他发现

• 温度对HVD气泡无显著影响，可能因电导率与蒸汽压效应抵消（图9d）。
  
• 超纯水中激光气泡寿命比自来水长7 μs，印证杂质对空化核（cavitation nuclei）的干扰。
  

（全文约2400字）