表面条形结构调控空化气泡溃灭动力学及其对空蚀抑制机制的研究

为解决高速旋转涡轮等设备中空化气泡溃灭导致的严重侵蚀问题，研究人员通过引入对称性破缺的条形结构，系统研究了边界结构对空化气泡溃灭动力学及冲击波自聚焦过程的影响。研究发现，气泡溃灭可分为"岛桥"（IB）和"非对称环"（AT）两种模式，结构距离参数ε显著影响溃灭能量分布。该研究为设计抗空蚀表面微结构提供了新思路，成果发表于《Ultrasonics Sonochemistry》。

　　

在高速旋转涡轮、泄洪隧洞等工程场景中，空化气泡（cavitation bubble）在固体边界附近的非球形溃灭会引发严重的空蚀现象，这种由液相转变为气相又急剧溃灭的物理过程，每年造成数十亿美元的设备维护成本。更令人担忧的是，当气泡与壁面距离γ<0.3时，会产生速度超1000 m/s的针状射流（NJ）和自聚焦冲击波，这种极端工况下的损伤机制尚未完全阐明。传统解决方案如柔性边界或油滴缓冲存在与功能需求冲突的局限性，因此探索通过表面微结构调控溃灭过程的新途径具有重要工程价值。

清华大学能源与动力工程系的研究团队在《Ultrasonics Sonochemistry》发表创新研究，通过精密设计的表面条形结构，首次系统揭示了微结构诱导的对称性破缺对空化气泡溃灭动力学的影响规律。研究人员采用双高速摄像系统（100,000 fps和5,000,000 fps）捕捉激光诱导空化气泡的动态过程，结合X射线显微镜（Xradia 610 Versa）表征结构形貌，建立了ε=z/(a+R_l,max)距离参数体系，其中a为结构半径200μm，R_l,max为气泡最大半径0.65mm。

研究结果可分为三个重要发现：

1. 溃灭模式转变：当ε<1时呈现"岛桥"（IB）模式，气泡分裂为近端圆形岛和远端新月形结构；ε>1时则形成"非对称环"（AT），环体近端体积显著大于远端。高速影像显示，IB模式下射流位置会偏离气泡中心达0.3mm，这种几何不对称性从根本上改变了能量分布。

2. 动力学参数演化：通过条纹图像分析发现，环体收缩速度v_con与中心孔扩张速度v_exp存在显著空间差异。在ε=0.58工况下，近端扩张速度比远端快15%，而收缩速度慢20%，这种动态不平衡导致近端聚焦点（PFP）的冲击波强度降低40%。

3. 自聚焦调控机制：建立椭圆环溃灭模型显示，当ε≈2.3时会出现聚焦强度峰值，此时溃灭传播速度达0.6马赫数（Ma）。但总体上，条形结构使ε<2区域的冲击波聚焦强度下降50%以上，证实了其空蚀抑制潜力。

这项研究的重要意义在于突破了传统材料改性思路，首次从流体动力学角度提出通过微结构几何设计调控空化溃灭过程的新范式。不仅为涡轮机械、船舶推进器等设备的抗空蚀表面设计提供了量化依据，其发现的IB/AT模式转变规律更为医疗领域的碎石术（lithotripsy）和表面清洁等需要精准控制空化能量的应用开辟了新途径。未来结合金属基材的损伤量化研究，有望发展出兼具工程功能性和抗空蚀特性的表面微结构设计标准。