《Journal of Marine Science and Engineering》：Advances in Mechanism Decoupling of Cavitating Jet Impingement and Multi-Source Measurement Techniques: A Review
空化射流冲击（CJI）是船舶与海洋工程中的关键现象，其既导致空化诱导的材料侵蚀，又被应用于表面处理。然而，由于水动力射流压力、微射流冲击及激波发射通常在空间和时间上相互重叠，解耦这些同时发生的作用颇具挑战性。为应对这一挑战，本综述梳理了旨在解耦这些重叠效应的测量技术的最新进展，重点论述了多源同步测量方法，如高速光学成像与宽带压电压力传感相结合，并配合先进的信号与图像处理技术，以捕获机制特异性特征。综述将机制解耦视为机制识别、机制归因和贡献量化相互关联的任务，并依据能量主导性、峰值压力主导性和损伤主导性等不同标准综合文献。研究表明，同步多源诊断提高了归因可靠性，但真正的定量解耦仍受配置依赖性、归一化不一致以及缺乏基准评估准则的限制。
## 2. 空化冲击的物理机制及其可解耦性基础
### 2.1 核心能量释放机制与空化冲击的主导形式
本节阐明了空化冲击的核心能量释放机制及其主导形式。空化射流的破碎效应可通过两条耦合路径理解：背景水动力射流冲击与空化泡溃灭。在泡尺度上，后者主要表现为两种主导释放模式——球形激波（spherical shockwave）和非对称溃灭产生的定向微射流（microjet）。这两种模式并非互斥，可能在单次溃灭事件中同时存在。本综述将超声和激光诱导单泡研究的观测结果主要作为参考案例，因其比充分发展的空化射流提供更清晰的溃灭形态、射流形成及激波发射特征。
微射流的形成由边界、几何约束和局部压力梯度诱导的溃灭非对称性促进。当泡体距刚性壁面或结构特征足够近时，溃灭产生方向性偏置，倾向于向壁面形成射流；反之，约束较弱条件下的较对称溃灭则通过激波释放更大比例的能量。这种非对称性并非仅由壁面存在决定，边界顺应性、壁面拓扑及 imposed motion 均可修正射流方向、溃灭聚焦和相关局部载荷。
液体性质通过改变界面变形、溃灭速率和能量耗散进一步重塑激波与微射流的相对重要性。表面张力影响射流聚焦和界面稳定性，而黏度和弹性则衰减溃灭强度并延长加载时间尺度。因此，跨液体的机制比较不能仅依赖压力幅值。就归一化描述符而言，近壁单泡溃灭的归一化壁面距离 γ = d/R
max 比绝对壁面距离更具信息量，其中 d 为泡中心至壁面的初始距离，R
max 为最大泡半径。Zeng 等（2021）的轴对称 VoF 模拟给出了刚性边界上最大壁面剪切应力 τ
mn 的经验关系：τ
mnRe
0.35 = ?70γ + 100（τ
mn 单位为 kPa，0.5 < γ < 1.4，0.01 ≤ μ ≤ 0.1 Pa·s），但该关系具有情境特异性，不宜解释为普适标度律。在低温缩扩喷嘴中，当 σ 从 0.497 降至 0.386 时，主导机制从再入射流转变为冷凝激波。
激波与微射流不仅在时空尺度上存在差异，其产生的响应类型也不同：激波以短高压脉冲形式在更广范围内传播，而微射流则通过壁面附近的集中动量传递产生更局部的作用。在空化数（σ）的控制作用方面，Venturi 管和低温喷嘴研究均表明，随 σ 变化， shedding 机制在再入流控制和冷凝激波控制行为之间转换。溃灭伴随的声致发光（sonoluminescence）和声辐射可作为溃灭强度的辅助诊断特征，而非主要壁面加载机制。
在气泡云空化方面，研究重点不再是单泡层面的射流-激波分离，而是集体 shedding 模式和溃灭同步性。Tinguely 等（2022）通过超高速阴影成像捕捉到单泡溃灭终末阶段的多重激波辐射规律，表明泡体形态和溃灭同步性直接调控激波作用持续时间：形状越非对称、溃灭越分散，作用持续时间越长。Priyadarshi 等（2021）的比较研究表明，激光诱导单泡溃灭产生 20–40 MPa 的激波峰值（近场测量，距泡中心 3–4 mm），而多泡云内单次事件的激波仅约 0.4–0.5 MPa，但云体整体溃灭可产生约 1.6 MPa 的远场峰值压力，虽快速衰减但影响范围更广，累积振动和噪声更为显著。
纯射流冲击作为非空化工程参考载荷引入。Yuan 等（2025）的对比实验数据显示，纯射流冲击的水锤压力峰值远高于空化射流冲击，而滞止压力则显著低于空化射流冲击。
### 2.2 空化冲击物理机制的可解耦性基础
#### 2.2.1 可分离性的时空尺度差异
微射流将能量集中于壁面靶区的超小区域，产生局部高强度冲击但影响范围受限；激波则以球面波前形式向外辐射，覆盖更广空间范围但单点强度随传播急剧衰减。单泡溃灭激波为纳秒级瞬态脉冲事件，而多泡团簇的集体溃灭属于不同的累积加载机制，具有延长的时间尺度和更广的空间范围。
不同机制应在不同响应度量下进行比较：连续射流冲击主要对应准稳态加载，单泡激波对应纳秒级压力脉冲，单泡微射流对应高度局部化的壁面定向加载，气泡云集体溃灭则对应更宽的累积响应窗口。局部响应度量（local response metrics）指壁面剪切、凹坑萌生或单点峰值压力等量，全局响应度量（global response metrics）则指受影响面积、宽带振动或疲劳相关响应等更广泛的累积度量。
#### 2.2.2 瞬态载荷的时域变化特征
不同机制以不同的时域形式重分布加载。非对称单泡溃灭可发射多个纳秒级激波脉冲而非单一理想化尖峰；微射流相关加载倾向于通过壁面附近的能量分散降低峰值幅值并延长有效作用窗口；气泡云溃灭则产生多模态或准周期性波动，单次脉冲峰值可能不大，但重复循环仍可驱动累积损伤和疲劳响应。
近壁能量分配测量表明，溃灭激波可约占气泡能量的 70–80%，而在合适的壁面距离和边界条件下，微射流对局部壁面剪切或凹坑萌生可能更为重要。当比较基于累积振动、宽带响应或疲劳效应而非单点局部峰值时，气泡云溃灭可能更为相关。系统尺度上，空化云活动常反映为宽带或高频振动，离心泵部分负荷工况下 4–10 kHz 为代表性的空化诱导频段。
定量解耦需满足三个条件：比较的机制须至少在一个相关域（时间、频率、空间、形态或损伤响应）可区分；声称的归因应得到至少两个相互一致的观测量的支持，而非单一信号；报告的贡献须与明确的度量（如能量分数、规定参考距离处的归一化峰值压力、壁面剪切集中、侵蚀率、凹坑密度或累积振动效应）相联系。
## 3. 空化冲击测量技术在机制解耦中的进展
### 3.1 视觉测量技术进展
#### 3.1.1 高速光学成像技术
高速光学成像通过捕捉空化过程的瞬态形态演化，提供空化形态和微射流动态的直接视觉证据。当与纹影（schlieren）、 excising "BOS"（背景导向纹影，Background-Oriented Schlieren）、X 射线或压力诊断结合时，可帮助识别激波相关事件和多泡集体溃灭。其纳秒级时间分辨率和微米级空间分辨率可清晰捕捉最快速的空化现象。
Yu 等（2025）的二维 PIV 分析表明，激光诱导空化泡射流具有远场自相似湍流膨胀特性，最大径向膨胀率和卷吸系数显著超过普通连续射流；Morton 等（2021）记录到溃灭驱动液相微射流速度高达 80 m/s；能量分配测量显示，约 20–30% 的空化泡溃灭能量转化为微射流动能（基于近多孔壁溃灭的高速成像）。Khavari 等（2021）将高速摄影与宽带光纤水听器同步，首次在激波谱中识别出约 3 MHz 的 distinct 共振峰；Yamamoto 等（2022）使用高分辨率 BOS 技术在微通道中捕捉到仅 90 μm 厚的水下激波前缘。研究还表明，密集气泡云可使远场激波压力在仅数毫米内下降约 97–98%。
高速光学成像的局限包括：局限于透明介质，无法有效应用于不透明或强光散射环境；常规成像仅提供二维投影，丢失三维流动信息；仅提供定性形态学洞察，无法直接测量冲击力或压力。
#### 3.1.2 粒子动力学分析与粒子图像测速技术
粒子动力学分析（PDA）和粒子图像测速（PIV）使用示踪粒子甚至空化泡作为标记，通过脉冲激光和高速相机追踪其运动，直接获取定量速度场分布和湍流特性。Yu 等（2025）的 PIV 数据确认泡诱导射流的速度剖面具有自相似性，径向膨胀率 S
r ≈ 0.12，卷吸系数 α ≈ 0.086，最大膨胀率超出连续湍流射流 20%，卷吸系数增强 9%。Chen 等（2025）通过高速摄影、同步辐射 X 射线成像和 PIV 测量，对比了乙醇、水、甘油和铝熔体中的初生空化现象：乙醇最大泡迁移速度达 1.85 m/s，甘油仅为 0.028 m/s。
PIV 的核心局限在于无法仅凭速度数据直接区分特定空化机制。Koncoski 等（2023）将三维立体 PIV 与双水听器同步，发现空化云脱落时涡核与泡溃灭的相互作用产生 31.5–50 kHz 范围的明显压力脉冲峰值；Han 等（2021）开发了基于双头 PIV 激光器的纳秒级摄影系统，捕捉到激波速度在约 400 ns 内从 3611 m/s 衰减至声速。
### 3.2 空化冲击物理场测量技术：以宽带压电传感为核心
宽带聚偏二氟乙烯（PVDF）薄膜传感器以其高灵敏度和宽频响成为定量测量瞬态空化载荷的核心工具。其超薄柔性外形可直接贴附于固体表面或嵌入流场中，对流体干扰极小。
PVDF 传感器捕获的空化冲击波形特征为超短压力脉冲和极陡的压力上升沿：单泡溃灭激波脉宽仅数纳秒至数十纳秒，近场水下泡爆炸产生峰值 3.46 GPa、脉宽仅 18 ns 的激波脉冲；微射流冲击的压力跃升可短至 25 ns。云溃灭则释放多个重叠脉冲，总持续时间可达微秒级（如 1.2 μs 内 5–8 个顺序脉冲）。频域上，单泡溃灭能量集中于数 MHz 以上高频成分，云体集体溃灭则扩展至更低 MHz 范围的宽带。Khavari 等（2021）追踪到单泡溃灭在 3.27–3.43 MHz 的窄带共振峰，而云溃灭产生约 1–10 MHz 的更宽频谱。
Luo 等（2024）发现增加液体黏度（水-甘油混合）使激波前沿厚度从 3.171 μm 增至 5.117 μm，冲击持续时间从 3.015 μs 延长至 20.823 μs，激波释放能量占比从约 95.6% 降至 70% 以下。
PVDF 的固有局限包括：作为点测量设备无法捕捉压力场的空间分布；带宽上限（通常约 20 MHz）可能不足以分辨最尖锐空化脉冲的最高频成分；易受电磁干扰和长电缆连接衰减影响；测头位置对测量结果影响显著。因此，常与全场光学方法、更高带宽水听器及专用校准 routine 结合使用。
### 3.3 先进信号与图像处理在机制解耦中的应用进展
#### 3.3.1 信号处理技术进展
经验模态分解（EMD）及其衍生方法可将非平稳信号自适应分解为不同频带的内禀模态函数（IMF），克服了传统线性分解无法处理非线性空化信号的局限。Bryngelson 等（2020）将高斯矩法与 LSTM 循环神经网络结合，将高阶矩预测误差降至原方法的 1% 以下。Dai 等（2023）应用 CEEMD 分解离心泵空化噪声信号，获得 8 个 IMF 分量，其中 IMF1 对应 4000–6000 Hz 高频空化噪声，IMF5 对应 100–200 Hz 低频特征，结合残差收缩神经网络实现正常、发展和严重空化状态的准确识别。Zhou 等（2024）使用 CEEMDAN 将污水泵振动信号分解为 9 阶 IMF，提取前六阶高频 IMF 的能量特征（约占总能量的 82%），结合贝叶斯优化支持向量机分类器实现多状态识别，准确率达 99.7%。
连续小波变换（CWT）已应用于识别空化中的高频瞬态能量突变：泵站和声发射信号的 CWT 时频图显示，全空化条件下原本平滑的轴频和谐波谱线被破坏，出现离散的强幅值瞬态分量。基于小波变换的 H?lder 指数可定量表征信号中的奇异突变点，结合多尺度熵等统计特征可进一步表征空化信号的非线性和随机性。
深度学习方面，Li 等（2024）构建点云数据与深度学习结合的双通道网络模型，将多相流模拟计算时间从 10 h 缩短至 1 s，平均相对误差（MRE）保持 10% 以下；Wang 等（2025）通过 TSMOC 方法计算泵源流量，开发 DPAM-CORAL 迁移学习框架，通过双路径注意力机制解耦空化信号的高低频特征，四分类任务平均准确率 98.0%；Chao 等（2020）提出多通道输入的一维 CNN 模型，通过三通道振动信号融合增强抗噪鲁棒性，SNR = 5 dB 场景下空化识别准确度达 91.2%，较单通道模型提高 15%。
多fractal 和统计特征分析方面，Feng 等（2024）发现随空化从初生到严重发展，振动信号的 Hurst 指数从 0.9 降至 0.6，压力脉动的分形谱宽 Δα 增至 1.26。这些参数可作为空化状态的标征：分形谱宽增加意味着泡溃灭事件的多样性和不规则性增强，对应空化云集体溃灭和湍流涡相互作用。
#### 3.3.2 图像处理技术进展
图像处理的核心价值在于建立瞬态空化形态与力学效应的联系。Esplin 等（2021）实现高速摄影与针式水听器的时空同步，通过高斯混合模型（GMM）提取图像特征概率分布，重建了不可见工况下空化体积的时空分布和对应瞬态压力场。Yamamoto 等（2022）使用高分辨率 BOS 技术在 500 μm 内径微管中捕捉 90 μm 厚激波前缘，反演出约 3 MPa 的峰值压力。Feng 等（2024）在灯泡涡轮机实验中实现转轮振动信号、尾水管动态压力脉动和空化可视化图像的同步采集，通过 MF-DFA 分析揭示压力信号 Δα 在临界空化条件下最小（0.66）、全空化条件下最大（1.26）。
深度学习在图像处理中的应用包括：Liu 等（2025）基于 U-Net 图像语义分割算法自动提取水翼空化区域的长度、面积和质心等特征；Tong 等（2023）采用高速摄影像素计数法量化空化强度 I
c，建立其与振动信号的映射关系，为神经网络提供视觉标签。当前局限在于：主流二维成像无法捕捉空化现象的关键深度维度信息；现有算法的计算和硬件资源需求与主动控制的实时处理要求之间存在显著差距。
## 4. 技术挑战与未来方向
### 4.1 机制解耦的核心挑战
机制解耦困难源于水动力射流加载、微射流冲击、单泡激波和气泡云溃灭常在微秒甚至纳秒窗口内重叠，产生复合加载、混合波形特征和耦合侵蚀痕迹。三维可视化、时间同步和跨研究归一化的不足进一步放大了这一困难。
### 4.2 工程意义、现存局限与未来优先方向
从方法论角度，解耦应被视为分阶段任务：首先明确解耦目标（形态识别、局部加载归因或贡献比估计），然后匹配相应诊断手段。高分辨率纹影方法和干涉光纤探针已显示出测量微尺度激波场和泡壁运动的潜力。未来发展应聚焦低侵入性方法、高分辨率诊断和基于基准的验证，同时推进多源同步测量与标准化测试配置、明确响应指标和清晰误差评估程序的共同开发。
工程应用方面，微孔涂层、仿生纹理和激励控制等策略的证据多来自简化实验室条件，其长期耐久性、尺度依赖性和真实海洋湍流、材料老化及重复加载下的有效性尚未确立。且抑制某一损伤路径可能使系统转向另一路径而非降低总损伤水平，这种权衡在当前研究中很少量化。
建模方面，许多当前 CFD 或多相模拟仍针对综合空化现象而非机制可解观测量进行验证。解耦数据集将使模型测试能够检验其是否正确预测了规定几何和运行条件下激波、微射流和气泡云溃灭的相对贡献。未来工作应聚焦基准配置、机制特异性评估指标和严格同步的多源测量，同时将数据驱动识别与物理解释参数更紧密耦合，使分类精度不被误认为机制理解。
