空化是指液體中由于壓力降低造成的蒸汽泡（空化泡）劇烈生長(zhǎng)和潰滅的物理過(guò)程。液體含有顆粒時(shí)的空化現(xiàn)象常發(fā)生在超聲清洗、空化碎石、含沙水中的流體機(jī)械高速運(yùn)行等應(yīng)用領(lǐng)域，其間瞬態(tài)產(chǎn)生的空化泡與水中的或壁面附著的顆粒間的相互作用甚為重要。此前國(guó)內(nèi)外研究中，空化泡產(chǎn)生階段與顆粒的相互影響常被忽略，相關(guān)研究較為缺乏。
2022年1月26日，國(guó)際頂級(jí)物理期刊《物理評(píng)論快報(bào)》（Physical Review Letters）刊登了清華大學(xué)能源與動(dòng)力工程系劉樹(shù)紅、左志鋼老師課題組博士生任子博等人關(guān)于空化泡與壁面上顆粒相互作用的研究成果，論文題目為《空化泡驅(qū)動(dòng)的顆粒拋射》（Particulate Projectiles Driven by Cavitation Bubbles），并獲得該期刊的“編輯推薦”（Editors’ Suggestion）。該研究通過(guò)實(shí)驗(yàn)，首次發(fā)現(xiàn)了固壁面附近的激光誘發(fā)空化泡可拋射重金屬（如不銹鋼、黃銅等）球形顆粒的現(xiàn)象。研究表明，通過(guò)改變顆粒和空化泡的相對(duì)尺寸、及相對(duì)位置，顆粒可被拋射到所需高度。
物理評(píng)論快報(bào)網(wǎng)頁(yè)截圖
本研究中，利用脈沖激光器在水中的特定位置誘發(fā)了最大直徑為3.0~6.0毫米的空化泡，其生長(zhǎng)、潰滅的生命周期不足1毫秒。為此，通過(guò)采用每秒超過(guò)75000幀的高速攝像觀(guān)察空化泡和顆粒的相互作用，捕捉到了顆粒離開(kāi)壁面的行為發(fā)生在空化泡生長(zhǎng)到最大尺寸之前（圖1），意味著空化泡的劇烈生長(zhǎng)對(duì)壁面上的顆粒產(chǎn)生了強(qiáng)烈的提升力。
激光誘發(fā)空化泡拋射直徑5.0 mm不銹鋼顆粒的高速攝像照片（圖中顆粒拋射高度可達(dá)11.5 mm）
為了探討不銹鋼球獲得升力的來(lái)源，建立了空化泡-球形顆粒-剛性固壁面相互作用模型，探討了顆粒受力物理過(guò)程。研究表明，顆粒獲得的最大升力可為自身重量的100倍以上，最大上升高度可達(dá)近10倍的自身半徑。此外，研究者們還揭示了空化泡拋射顆粒的兩種不同主導(dǎo)機(jī)理（圖2a），并分別給出了顆粒最大拋射高度的標(biāo)度律（圖2b）。
空化泡拋射顆粒的標(biāo)度律
本研究發(fā)現(xiàn)了一種由空化泡去除固壁面附著顆粒的新機(jī)制，即，擁有柔軟的氣液界面的空化泡具有巨大能量，可拋射壁面上的不銹鋼等重金屬顆粒，并達(dá)到所需高度。這種激光輔助的非侵入式的顆粒操縱，可為無(wú)機(jī)械接觸的樣品采集、安全（免燒蝕組織）的碎石移除等應(yīng)用提供參考。
Physical Review Letters雜志主編評(píng)價(jià)該工作“十分重要、有趣并且寫(xiě)作優(yōu)秀(particularly important, interesting, and well written)”，推薦該論文為Editors’ Suggestion。錄用稿件中只有1/7被選為“編輯推薦”。
該研究受到國(guó)家自然科學(xué)基金，清華大學(xué)水沙科學(xué)與水利水電工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室以及清華大學(xué)山西清潔能源研究院的資助。2018級(jí)直博生任子博為該論文第一作者，導(dǎo)師為劉樹(shù)紅教授，清華大學(xué)能動(dòng)系左志鋼副研究員、劉樹(shù)紅教授為通訊作者。
論文信息：
Ren, Zibo, Zhigang Zuo*, Shengji Wu, and Shuhong Liu*. 2022. Particulate Projectiles Driven by Cavitation Bubbles. Phys. Rev. Lett. 128 (4):044501. doi: 10.1103/PhysRevLett.128.044501.
論文鏈接：
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.128.044501
供稿：能動(dòng)系
編輯：李若夢(mèng)
審核：周襄楠
