吉林大学张成春教授团队声学顶刊Ultrasonics Sonochemistry：对黏附气层壁面附近空化气泡溃灭模式的操纵

水下螺旋桨、船舵、水泵、阀门和管道的空蚀严重影响能量的利用效率和组件的使用寿命。通过涂层、在部件材料上添加锰、锌、钨等化学元素和设置扰流结构是降低空蚀破坏的常用方法，但这些方法在涂层局部脱落、结构破坏后仍然会产生比较严重的破坏。因此，开发高效智能耐用的抗空蚀表面具有重要意义。

近日，吉林大学仿生科学与工程重点实验室张成春教授团队受水蜘蛛的微纳纤维结构和超疏水荷叶结构的启发，采用电沉积法制备了不同厚度孔隙均匀的多孔介质铜，经过改性修饰后具有一定的疏水性（水下亲气性），同时采用电火花诱导的方式产生气泡，两台高速相机同步观测气泡在不同厚度多孔介质铜表面处的动态行为，得出6种射流模式，分别为：正向射流（FJ）、融合射流（MJ）、中性双向射流（NJ）、反向射流（RJ）、先正向后反向射流（FRJ）和无方向射流（NDJ）。其中反向射流模式中气泡溃灭产生的射流未冲击壁面，对抗空蚀具有积极意义。该工作以“Manipulation of bubble collapse patterns near the wall of an adherent gas layer”为题发表在《Ultrasonics Sonochemitry》上。该研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、吉林省科技发展计划、山东省自然科学基金和泰山产业领军人才计划的支持。

气泡在光滑壁面条件下形成正向射流模式（FJ）的动态行为

在光滑壁面条件下，电火花诱导气泡经历了产生、膨胀、溃灭的动态过程（图1）。电火花诱导刚产生气泡时在电极的交点产生着刺眼的白光，随后气泡开始膨胀，在达到最大体积之前，气泡的底部边界变平。之后气泡在t = 1.63 ms收缩变成钟形，随后气泡上方边界的收缩速度大于下方边界的收缩速度，在t = 1.81 ms时气泡变成圆锥形。紧接着气泡顶部开始向内凹陷，当气泡上界面接触到下界面时（t = 1.93 ms），形成朝向壁面的射流（FJ）。射流完成后，单个气泡破碎成微气泡云，随后进入反弹阶段。微气泡云在刚性壁面上径向延伸，边界移动平均速度为73.3 m/s。随后气泡云经过多次的膨胀、溃灭和微气泡的相互融合，最终在浮力的作用下远离壁面。

图1 气泡在光滑壁面条件下形成正向射流模式（FJ）的动态行为

气泡在黏附气层的壁面条件下形成反向射流模式（RJ）的动态行为

在黏附气层的壁面条件下，与光滑壁面条件不同的是在气泡的收缩过程中，气泡的下界面变平而上界面保持球形（t = 1.51 ms），之后下界面的收缩速度大于上界面的收缩速度，最终形成反向射流（RJ）。由于射流的作用，气泡反弹时，形成圆锥的形状（t = 1.81 ms）。随后伴随着体积的波动，气泡远离壁面，在整个过程中，气泡的中心一直远离壁面（图2）。

图2 气泡在黏附气层的壁面条件下形成反向射流模式（RJ）的动态行为

气泡中心迁移和射流速度

气泡的迁移受不同边界的影响，在光滑壁面条件下，气泡中心逐渐向壁面处靠近。气泡在多孔介质铜黏附的气层的作用下具有远离壁面的趋势，并随着多孔介质铜厚度的增加，气泡的溃灭点增高（图3）。当多孔介质铜厚度大于0.8 mm，无量纲高度γ大于1.23时，形成了反向射流模式。并且随着γ的增大，射流速度有增大的趋势（图4）。这样可以转换气泡溃灭时的攻击方向，可有效的缓解空蚀，为工程中解决空蚀问题提供新方案。

图3 气泡中心的迁移

图4 气泡的射流速度

欲了解其他射流模式气泡动态行为及其视频，请访问原文。

原文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1350417723004340

通讯作者简介：

张成春，吉林大学生物与农业工程学院、仿生科学与工程学院教授，泰山产业领军人才入选者，帝国理工学院访问学者，Droplet期刊编辑部创刊总编、副主编。主持国家自然科学基金项目5项、国家重点研发计划项目课题1项、工信部“民机科研”专题1项及基础加强领域基金、国防科技创新特区主题项目等，涉及仿生飞行器与仿生动力系统、以及与之相关复杂流体与复杂流动。在ACS NANO、Physics of Fluid、ACS Applied Materials & Interfaces、Journal of Colloid and Interface Science、Ultrasonics Sonochemistry、Applied Acoustics、Applied Thermal Engineering、Journal of Sound and Vibration、Soft Matter、Journal of Bionic Engineering等期刊发表论文70余篇，获得中国发明专利授权24件。

转自：“高分子科学前沿”微信公众号

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