近日，哈爾濱工程大學(xué)船舶工程學(xué)院張阿漫教授團(tuán)隊(duì)在流體力學(xué)領(lǐng)域頂級期刊《Journal of Fluid Mechanics》發(fā)表最新研究成果，團(tuán)隊(duì)通過實(shí)驗(yàn)、數(shù)值模擬與理論分析相結(jié)合的方法，系統(tǒng)揭示了雙氣泡耦合作用下三種穿透射流的形成機(jī)制與加速規(guī)律，成功獲得速度超過1200 m/s的超音速射流，并建立了射流速度與穿透距離的相圖控制體系，為水下瞬態(tài)沖擊動力學(xué)相關(guān)應(yīng)用提供了一套精準(zhǔn)可控的流體動力學(xué)方案。本文第一作者為學(xué)院博士生顏帥，通訊作者為學(xué)院李帥與張阿漫教授。

空泡射流研究

兼具工程價(jià)值與現(xiàn)實(shí)挑戰(zhàn)

空化空泡潰滅時(shí)產(chǎn)生的沖擊波與高速射流具有典型的雙重效應(yīng)：它是造成水泵、螺旋槳等水力機(jī)械表面侵蝕破壞的主要誘因，同時(shí)也是超聲清洗、水下加工等領(lǐng)域的核心物理基礎(chǔ)。傳統(tǒng)單氣泡在剛性邊界附近雖可產(chǎn)生最高達(dá)1000 m/s的射流，但形成條件極為苛刻，對邊界環(huán)境要求高，難以在實(shí)際工程中推廣應(yīng)用。

雙氣泡系統(tǒng)通過調(diào)控兩個(gè)氣泡的初始間距與起爆時(shí)間差，可產(chǎn)生方向性更好、穿透力更強(qiáng)的液體射流，工程適應(yīng)性顯著優(yōu)于單氣泡系統(tǒng)。但此前雙氣泡射流的加速機(jī)制、穿透能力等關(guān)鍵科學(xué)問題尚未得到系統(tǒng)闡明，極大制約了其在水下沖擊防護(hù)、能量定向輸運(yùn)等領(lǐng)域的應(yīng)用落地。

三類射流形態(tài)系統(tǒng)揭示

超音速射流實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破

研究團(tuán)隊(duì)采用水下放電方法生成可控雙氣泡，首次完整觀測到雙泡耦合作用下形成的三種特征穿透射流形：

圖1. 雙空泡耦合作用下形成的三種穿透射流形態(tài)：(a)錐形射流；(b)傘狀射流；(c)噴霧射流。

錐形射流

先生成的氣泡潰滅產(chǎn)生的壓力波，加速后生成氣泡的伸長尖端，形成錐狀射流。這類射流形成初期依賴尖端的高曲率特性，后續(xù)演化主要由壓力波主導(dǎo)，速度范圍約10-30 m/s，生成條件較為寬松。

傘狀射流

若在先生成氣泡完全潰滅前，后生成氣泡的伸長尖端已發(fā)生曲率驅(qū)動的自回縮，則形成傘狀射流。其獨(dú)特的傘狀形態(tài)源于射流基部壓力持續(xù)升高，導(dǎo)致上游流體速度超過射流尖端，液體堆積外翻形成特殊結(jié)構(gòu)，速度介于錐形射流與噴霧射流之間。

噴霧射流

后生成氣泡的伸長尖端深入先生成氣泡內(nèi)部，在先生成氣泡收縮與坍塌的強(qiáng)烈作用下被夾斷。頸部斷裂過程產(chǎn)生極強(qiáng)的流動聚焦效應(yīng)，形成極高的壓力駐點(diǎn)，驅(qū)動射流突破音速，泡內(nèi)速度最高可達(dá)1200 m/s。盡管射流尖端因失穩(wěn)會破碎成細(xì)小霧滴，但其后續(xù)連續(xù)射流仍保持極高速度和精準(zhǔn)指向性，穿透距離最高可達(dá)10倍氣泡最大半徑，是三類射流中穿透能力最強(qiáng)的類型。

提出"液體子彈"模型

穿透能力實(shí)現(xiàn)快速評估

圖2. 最大穿透距離Smax隨射流速度Uwater的變化關(guān)系。其中，Uwater為射流進(jìn)入水時(shí)的速度，Smax為射流尖端空腔潰滅時(shí)射流在水中的行進(jìn)距離。

針對射流穿出氣泡后的水中運(yùn)動過程，團(tuán)隊(duì)提出了"液體子彈"理論模型：射流作為連續(xù)液體團(tuán)在水中運(yùn)動時(shí)，前端受動壓主導(dǎo)的阻力作用，速度衰減遵循特定的指數(shù)規(guī)律，穿透距離可通過解析公式精確計(jì)算。

研究發(fā)現(xiàn)，絕大多數(shù)射流尖端約在無量綱時(shí)間t≈1時(shí)失去動能并消散，由此推導(dǎo)得到射流最大穿透距離與射流入水速度的定量關(guān)系。該公式為射流穿透能力的快速評估提供了簡潔有效的理論依據(jù)，三類射流的數(shù)百組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均與模型預(yù)測高度吻合，驗(yàn)證了模型的普適性與可靠性。

雙參數(shù)調(diào)控相圖發(fā)布

射流性能實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定制

圖3. 射流速度Uwater (a)與最大穿透距離Smax (b)隨γ和θ變化的相圖，背景顏色基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)插值得到。虛線表示不同射流形態(tài)之間的擬合邊界：黑色虛線分隔錐形射流與傘狀射流，藍(lán)色虛線則區(qū)分傘狀射流與噴霧射流。

基于近300組系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，團(tuán)隊(duì)繪制了射流形態(tài)、速度與穿透距離在初始間距、起爆時(shí)間差雙參數(shù)空間的高分辨率調(diào)控相圖，實(shí)現(xiàn)了射流性能的定量可控：

錐形射流分布于大間距、大時(shí)間差的弱耦合區(qū)域，適用于對速度要求不高、需要穩(wěn)定生成的應(yīng)用場景；

噴霧射流集中于小間距、中等時(shí)間差的強(qiáng)耦合區(qū)域，是獲得超音速、高穿透能力射流的核心參數(shù)區(qū)間；

傘狀射流位于兩者之間的狹窄過渡帶，可實(shí)現(xiàn)中等速度射流的穩(wěn)定輸出。

應(yīng)用前景廣闊

助力水下工程技術(shù)升級

本研究突破了傳統(tǒng)單氣泡射流條件苛刻、控制難度大的技術(shù)瓶頸，在三個(gè)層面實(shí)現(xiàn)了重要創(chuàng)新：在機(jī)制層面，首次闡明曲率驅(qū)動與壓力波驅(qū)動的協(xié)同作用，揭示頸部斷裂誘導(dǎo)超音速加速的力學(xué)機(jī)制，使最大射流速度突破1200 m/s；在理論層面，提出的"液體子彈"模型普適性強(qiáng)，為射流性能快速評估提供了高效工具；在應(yīng)用層面，繪制的高分辨率調(diào)控相圖，實(shí)現(xiàn)了射流形態(tài)、速度與穿透距離的精準(zhǔn)定制。

研究成果為水下沖擊防護(hù)、深海切割與清洗、水下爆炸能量調(diào)控、海洋資源勘探等領(lǐng)域的工程應(yīng)用提供了全新的技術(shù)方案與理論基礎(chǔ)，有望推動水下瞬態(tài)能量利用技術(shù)的跨越式發(fā)展。

• 信息來源:哈爾濱工程大學(xué)科學(xué)技術(shù)研究院。

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