熱能系劉樹(shù)紅課題組

在空泡-顆粒相互作用研究中取得進(jìn)展

清華新聞網(wǎng)8月29日電  8月25日，清華大學(xué)熱能系2015級(jí)博士生吳晟基，在導(dǎo)師劉樹(shù)紅教授、左志鋼助理研究員的指導(dǎo)下，與美國(guó)普林斯頓大學(xué)霍華德·斯通(Howard A. Stone)教授合作，在《物理評(píng)論快報(bào)》（Physical Review Letters）發(fā)表了題為《自由沉降球形顆粒在激光誘發(fā)空泡作用下的運(yùn)動(dòng)》（Motion of a Free-settling Spherical Particle Driven by a Laser-induced Bubble）的研究論文，首次系統(tǒng)研究了空泡-顆粒的相互作用，發(fā)現(xiàn)了顆粒高速?lài)娚洮F(xiàn)象，并揭示了空泡-顆粒相互作用的流體動(dòng)力學(xué)機(jī)理。吳晟基為論文第一作者，劉樹(shù)紅為通訊作者。

亞洲地區(qū)大部分河流含沙量高，此含沙水流經(jīng)水力機(jī)械時(shí)，空化引起的空蝕和泥沙磨損是造成機(jī)組流動(dòng)部件破壞的兩個(gè)主要因素?？栈侵敢后w中由于壓力降低造成的汽泡劇烈生長(zhǎng)和潰滅的物理過(guò)程，其對(duì)固體壁面的破壞簡(jiǎn)稱(chēng)空蝕；而河流中若含沙濃度高于0.4%時(shí)便會(huì)引起過(guò)流部件的泥沙磨損。工程實(shí)踐表明，相比空蝕、泥沙磨損的單獨(dú)作用，含沙水空蝕嚴(yán)重加劇了過(guò)流部件的破壞，大大降低了機(jī)組的安全性與使用壽命，而其可能的聯(lián)合作用機(jī)制與空泡-顆粒相互作用的微觀(guān)機(jī)理密切相關(guān)。目前相關(guān)研究還不充分，有待進(jìn)一步的探索與發(fā)現(xiàn)。此外，空泡-顆粒相互作用的情形也廣泛存在于如超聲清洗，腎結(jié)石清除等多領(lǐng)域。

激光誘發(fā)單空泡與PMMA顆粒之間的四種相互作用

吳晟基搭建了激光誘發(fā)單空泡與自由沉降單顆粒相互作用機(jī)理試驗(yàn)臺(tái)，并在此基礎(chǔ)上首次系統(tǒng)分析了自由沉降顆粒與空泡的相互作用。在試驗(yàn)中，該研究觀(guān)測(cè)分析了空泡-顆粒相互作用下的氣、液、固三相接觸現(xiàn)象，并捕捉到了空泡誘發(fā)顆粒（顆粒粒徑100微米~500微米）速度高達(dá)60m/s噴射現(xiàn)象。經(jīng)分析，此高速?lài)娚涞念w粒足以對(duì)常見(jiàn)的鋼制材料造成嚴(yán)重破壞，可能成為含沙水空蝕破壞加劇的潛在機(jī)理。在理論分析方面，借助熱能系流體工程講席教授團(tuán)組平臺(tái)，與美國(guó)普林斯頓大學(xué)霍華德·斯通教授合作，建立了顆粒-空泡相互作用物理模型，歸納了空泡-顆粒相互作用的影響因素，揭示了顆粒被噴射的最大速度的產(chǎn)生機(jī)理。

審稿人評(píng)價(jià)當(dāng)前研究為“一個(gè)重要的新領(lǐng)域”。該研究成果對(duì)理解空泡-顆粒相互作用的物理本質(zhì)，解釋水力機(jī)械含沙水條件下空蝕破壞急劇惡化的微觀(guān)機(jī)理具有重要價(jià)值。劉樹(shù)紅課題組主要致力于空化機(jī)理、空泡動(dòng)力學(xué)、心臟泵及航天航空流體機(jī)械等研究。

此項(xiàng)研究得到了清華大學(xué)熱能系流體工程講席教授團(tuán)組支持和幫助。該講席教授團(tuán)組成立于2012年，第一期由羅忠敬教授擔(dān)任首席，林壽海教授、霍華德·斯通等國(guó)際頂級(jí)的流體力學(xué)專(zhuān)家為講席教授。同時(shí)，該研究還獲得了國(guó)家自然科學(xué)基金及水沙科學(xué)與水利水電工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金支持。

原文鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.119.084501

供稿：熱能系  編輯：常松