液体温度对靠近固体壁面的空化气泡溃灭行为的实验研究

《International Journal of Heat and Mass Transfer》：Experimental study on effect of liquid temperature on the collapse behavior of cavitation bubble near a solid wall

　　

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  液体温度的升高会降低微射流的速度。
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  液体温度的升高会减弱冲击波的强度。
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  随着温度升高，超过一定距离后射流速度呈现相反趋势。
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  随着温度升高，超过一定距离后压力峰值呈现相反趋势。

引言

空化现象广泛存在于众多领域，包括水力机械 [1]、化学工程 [2] 和生物医学工程 [3]。在材料表面，空化侵蚀主要归因于气泡溃灭产生的微射流和冲击波 [4]。然而，现有研究大多集中于常温条件，而实际应用场景中工作流体的温度往往高于或低于常温 [5]，[6]。液体温度通过改变饱和蒸气压 [8]，[9]、表面张力 [10] 和黏度 [11] 等物理参数，影响气泡的演化过程和空化强度 [7]，从而影响实际应用中的空化利用效率。

近年来，液体温度对气泡行为的影响日益受到学者关注。Barbaglia 和 Bonetto [12] 观察到随着水温升高，溃灭时间增加。随后，Phan 等 [8] 通过实验和数值模拟发现，随着液体温度升高（20 ℃ - 80 ℃），气泡最大半径呈现增大趋势。类似现象在文献 [9]，[10] 中也得到了验证。Geng 等 [10] 指出，在气泡演化的第一阶段，95 ℃ 时最小溃灭半径与最大半径之比约为 30 ℃ 时的 6 倍。Pei 等 [9] 进一步发现，较高温度显著降低了近壁气泡的微射流速度。对于自由场气泡，Fu 等 [7] 表明，升高液体温度会降低冲击波的压力峰值。在低温区域，Chen 等 [13] 发现气泡表现出更大的最小收缩半径，其在液氮中的振荡周期和整体尺寸均大于常温水中对应的值。此外，在 66 K 至 76.4 K 的液氮温度范围内，Chen 等 [14] 表明，较高的液氮温度会降低最大溃灭速度。上述现象很大程度上是由于随着液体温度升高，传热在气泡溃灭中逐渐占据主导地位所致 [9]，[15]。

气泡演化行为不仅受液体温度影响，还受壁面存在的影响 [16]，[17]，[18]，[19]。Brujan 等 [20] 采用高速摄影结合声学测量，探究了激光产生气泡与弹性材料的相互作用。Klaseboer 等 [21] 研究了刚性板附近的气泡动力学，观察到其溃灭产生朝向刚性板的微射流。对于在一侧为自由表面、另一侧为刚性壁面区域内发育的气泡，Zhang 等 [22] 研究了气泡的运动。Teran 等 [23] 通过实验和数值方法研究了近壁区域中气泡与颗粒的相互作用，并报告颗粒的初始位置可能减轻或加剧空化侵蚀。Beig 等 [24] 对近壁气泡的溃灭进行了数值模拟，以研究周围流体和固体壁面的温度变化。确定了两种加热机制：一种由冲击波对壁面的撞击引起，另一种由气泡与壁面的直接接触引起。Gonzalez-Avila 等 [25] 发现，在近壁气泡的不对称溃灭过程中，会产生多个冲击波峰值。Tomita 等 [26] 探索了弯曲固体壁面附近的气泡动力学。发现凹壁会延长气泡的演化周期，而凸壁则会缩短它。Brujan 等 [27] 报告称，微射流撞击壁面后，近壁溃灭气泡形成蘑菇状结构，随后分裂成环状结构。Blake 等 [28] 探索了近壁双气泡相互作用，并报告当气泡尺寸不等时，较小气泡在靠近边界时倾向于被拉长。Shen 等 [29] 分析了壁面几何形状对气泡形态的影响。在归一化气泡-壁面距离小于 1 时，他们发现凹壁曲率对气泡形状的影响远强于凸曲率。Lokar 等 [30] 开发了单模光纤探针水听器，在距离等离子体源仅 10 μm 处实现了亚纳秒级压力测量，揭示了伴随气泡产生的冲击波压力峰值随距离呈幂律衰减。在此基础上，Lokar 等 [31] 使用光纤探针水听器将测量进一步扩展到几乎与等离子体边缘接触的极近场（约 5 μm），证实即使在非常小的距离下，冲击波压力峰值仍遵循预期的 1/距离趋势。他们的研究成果为空化气泡演化过程中冲击波的定量研究提供了宝贵的先例 [30]，[31]。

上述文献综述表明，微射流和冲击波已被广泛研究。然而，空化通常发生在不同的液体温度下，而不同液体温度对气泡溃灭过程中微射流和冲击波的影响鲜有报道。因此，本研究探讨液体温度对近壁气泡溃灭微射流和冲击波的影响。具体而言，旨在分析不同液体温度下微射流形态和速度，以及冲击波的演化形式和冲击行为，以补充现有研究空白。

章节片段

实验方法

为在宏观尺度上研究不同液体温度下气泡溃灭对 6061 铝合金试样侵蚀的影响，本研究采用一套超声空化设备进行实验，如图 1(a) 所示。在介观尺度上，采用水下电晕放电系统，结合高速相机、恒温控制系统和瞬态压力测量系统，同时记录液体

液体温度对空化侵蚀影响的实验现象

图 2 显示了在相同超声振动空化强度下，不同液体温度时 6061 铝合金试样的空化侵蚀形貌。当液体温度 T 为 10 °C，暴露时间为 60 min 时，试样表面出现尺寸较大且分布较密集的空蚀坑，如图 2(a₁) 所示。白色虚线所示的轮廓线（图 2(a₂)）最大坑深约为 0.466 mm，且

液体温度对固体壁面附近气泡溃灭微射流的影响

第 3 节揭示了不同液体温度下试样表面空化侵蚀形貌的差异，表明液体温度对试样的空化侵蚀过程有影响。然而，超声振动空化场内形成的是多个气泡的群体，液体温度如何影响近壁气泡的溃灭行为尚待阐明。因此，第 4 节转向介观尺度，并

液体温度对固体壁面附近气泡溃灭冲击波的影响

第 4 节转向介观尺度，重点研究液体温度对近壁气泡溃灭产生的微射流的影响，揭示了微射流强度随液体温度的变化规律。然而，在气泡溃灭过程中，除微射流对壁面的冲击外，冲击波也是造成壁面空化侵蚀损伤的重要因素。因此，第 5 节继续从介观尺度出发，重点研究

结论

本研究中的气泡通过水下电晕放电方法产生。高速摄影系统与瞬态压力测量系统相结合，探索液体温度（10 ℃ - 90 ℃）如何影响近壁气泡的微射流和冲击波。得出的结论如下：

• (1)
  液体温度对近壁气泡溃灭的微射流速度有显著影响。在相同的无量纲气泡-壁面

CRediT 作者贡献声明

傅桂华：写作 – 审阅与编辑、写作 – 原稿、调查、数据管理。 罗静：写作 – 审阅与编辑、项目管理、方法学。 李昌辉：调查、数据管理。 唐继国：方法学、概念化。 王航：监督、方法学。 许唯临：资源、项目管理。

利益冲突声明

作者声明，他们已知晓不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本工作得到国家自然科学基金（批准号：52579070、12672335）、西藏自治区科技计划项目（批准号：XZ202601JD0001）以及四川省自然科学基金创新研究群体科学基金（批准号：2025NSFTD0017）的资助。

傅桂华|罗静|李昌辉|唐继国|王航|许唯临