近固壁氣泡空蝕過程及機制研究進展

劉雅璐　李成海　劉繼輝　李發琪

摘? 要：近固壁氣泡空化所產生綜合極端條件會對材料產生侵蝕作用。目前，對于空化的研究已經實現了從空蝕損傷到合理利用的轉化，但空蝕對需要在液體環境中服役材料造成的損失仍十分嚴重。近固壁空化泡破裂時所產生的高溫高壓、微射流及沖擊波等效應都會對固壁產生一定影響，但目前對于其損傷過程及機制都還沒有形成統一理論，其機制涉及氣泡動力學、流體力學及材料學等多個方面，十分復雜。因此，綜述了近固壁氣泡空蝕損傷過程及損傷機制等方面的研究進展，為空蝕的進一步研究提供參考。

關鍵詞：空蝕;沖擊波;微射流;溫度

中圖分類號：TB126? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）06-0001-04

Abstract： Comprehensive extreme conditions generated by the near-wall bubble cavitation can erode the material. At present， research on cavitation has realized the conversion from cavitation damage to rational utilization， but the damage caused by cavitation to the materials required to be used in a liquid environment is still very serious. The effects of high temperature and high pressure， microjet and shock wave generated by the collapse of the near-wall cavitation bubble will have certain effects on the solid wall， but no unified theory has been formed for its damage process and mechanism. Its mechanism involves many aspects such as bubble dynamics， fluid mechanics and materials science， which are very complicated. Therefore， the research progress of cavitation damage process and damage mechanism of near-solid wall bubble is reviewed， which provides a reference for further research of cavitation erosion.

Keywords： cavitation; shock wave; microjet; temperature

引言

上世紀初，Rayleigh[1]對船舶螺旋槳上的損傷進行了研究，首先提出了空蝕現象。隨后，研究者們通過許多實驗及理論模擬對空蝕產生、增強的過程及機制進行了研究。目前，通過對空蝕的研究已經可以有效減少其帶來的損傷，并將其廣泛應用到各個領域，例如，超聲清潔[2]、超聲珩磨[3]、組織消融[4]等。因此，近固壁氣泡對固壁產生損傷過程及機制的研究具有非常重要價值。

空化是指液體由于外力作用導致空化核外部壓力變化，從而使其生長、振蕩、崩潰的過程。空化會伴隨產生高溫、高壓以及沖擊波等效應。極端高溫可以誘發自由基（OH-）生成[5]和聲致發光現象[6]。而對于靠近固壁的空泡由于固壁的存在會使空泡近固壁一側和遠離固壁一側壓力不均衡，遠離固壁的一側壓力大于靠近固壁一側，導致氣泡非球形塌縮，形成指向壁面具有一定速度的微射流。大振幅沖擊波和微射流的相互作用有可能在材料表面產生高達幾百兆帕的流體動壓峰值，從而導致材料嚴重損壞[7，8]。目前對于空蝕損傷過程及損傷機制都還沒有形成統一理論，它是空泡潰滅時產生的綜合極端條件與材料相互作用的結果。為此，本文對近固壁氣泡空蝕損傷過程及損傷機制的研究進展進行了綜述，為空蝕的進一步研究提供參考。

1 空蝕損傷過程的研究

固體表面空蝕很大程度上取決于產生空化的方式（聲學，激光，流體動力）和試樣特性。超聲、電火花及激光產生的空化會在同一位置生長，水力所產生的空化更為隨機。因此有些通過ASTM G32-10測試具有抗空蝕性能的材料在實際應用中并不能很好的起到抗空蝕的作用。當空化泡與固壁面的距離小于其最大半徑的兩倍（r=s/Rmax<2，s為空化泡中心到固體表面的距離，Rmax為氣泡最大半徑）時就會對固體表面產生損傷[9]。首先空泡會在光滑的固體表面上隨機的產生凹坑，導致固體表面輪廓發生變化，此階段并不一定產生質量損失，為孵化期[10]。Chen等[11]通過對水力空化的研究發現，表面輪廓的變化會使固體表面產生壓力波動，凹坑的上升邊緣會產生高壓區域，導致氣泡在上升沿上崩潰。當表面上有兩個接觸凹坑時，將形成兩個高壓區域。氣泡可能在第一個高壓域上升沿崩潰，在兩個凹坑之間的脊上形成一個新的凹坑，從而形成“凹坑鏈”。最后當凹坑底部的粗糙度足以生成高壓區域時，氣泡會在底部坍塌，從而使侵蝕垂直發展，空蝕沿著縱向和橫向同時發展，并且空蝕區域材料強度的減弱也會導致其產生更嚴重的損傷。粗糙度較高的表面還更容易形成空化核，加劇固體表面空蝕損傷程度。Arndt[12]建立了表面粗糙程度與空化初期空化泡數量之間的關系。除了表面粗糙度以外，表面的潤濕性也對空化腐蝕結果有一定的影響[13]。

由于空蝕從產生到潰滅是一個十分快速并且復雜的過程，因此固體表面空蝕過程的觀察一直以來都是一個難題。Philipp和Lauterborn[9]通過使用激光產生相同直徑大小空化泡對材料損傷的研究表明，單個空化氣泡的破裂會導致多個腐蝕坑。Dular等[14]通過立體視圖及形狀陰影算法對高速攝像拍攝的超聲空化作用下鋁箔表面凹坑形貌進行了重建，對其進行了定量分析，實現了空蝕過程的實時評估。Wang[15]等通過對Si、Al3Ti和Al3V三種不同力學性能及形貌初晶的研究發現初晶在破裂之前經歷了多個氣泡云的空蝕，認為初晶中裂縫的形成和傳播可能與疲勞機制有關。因此，通過對材料表面空蝕損傷的研究可以使我們對空蝕的過程有進一步的認識。

2 空蝕損傷機制的研究

對于空化損傷的機制，最早認為是由球形腔附近產生的高壓所導致。1944年Kornfeld和Suvorov提出損傷是由固體表面附近氣泡上形成的液體射流引起的。隨后Benjamin和Ellis[16]通過實驗證明了微射流的存在，當微射流撞擊到固體表面對其產生應變的過程類似于水錘作用。Plesset等[17]通過理論進一步肯定了射流在空化損傷中的決定性作用。Tzanakis[18]等使用3D光學干涉儀觀察到實驗后材料表面有對稱圓錐和不規則形狀兩種凹坑，認為其中不規則的凹坑可能是微射流和沖擊波共同作用的結果，而對稱的圓錐凹坑是由微射流單獨作用所形成的，表明了微射流及沖擊波都會對材料造成損傷。Wang等人[19]采用邊界積分法（Boundary Integral Method， BIM）對空蝕的模擬結果表明微射流撞擊壁面時所產生的沖擊壓力為空蝕損傷的主要機制，而溫度、沖擊波等為輔助機制。因此，目前對于空化損傷的主要機制普遍認為是力的作用，主要是微射流和沖擊波[20]。微射流在到達固壁之前會因流體產生很大程度的衰減[21]，因此當氣泡在距固體壁超出一定距離時沖擊波在最小氣泡體積下以高壓振幅的方式發出[19]起到主要作用，其速度可以高達4000m/s、壓力高達106kPa[22]。而當一定距離內（r≤0.7）[9]微射流則為主要原因[23]。除力學機制外，由于空泡在潰滅時會產生高達5000K的高溫[24]，熱效應也是造成熔點低于空泡有效溫度材料空化損傷的重要因素之一。Chen等[25，26]在不銹鋼材料表面空蝕現象的研究中發現低碳鋼表面侵蝕坑周圍因熱氣泡的作用產生了主要成分為Fe2O3的高溫氧化彩虹環。除此之外，空蝕形成及進一步的增強與液體中氣泡高速振蕩所形成的微聲流也有很大的關系[27]。

2.1 空蝕損傷中的微射流

影響微射流的因素有很多，Philipp[9]的實驗結果和Wang[19]的數值模擬結果都顯示空泡中心與壁面間距越小微射流的直徑越大，并且相對于坍塌而言微射流的形成越早。隨后，Aganin[28]等使用基于邊界元法（Boundary Element Method， BEM）的歐拉公式研究了空化泡橫縱軸比率及其與壁面距離對微射流速度及壓力的影響。而Shan等[29]使用基于D2Q9方格的多重松弛時間Shan-Chen（Multiple relaxation time Shan-Chen， MRT-SC）模型研究了初始狀態下氣泡內外壓強差和氣泡與固壁面之間的距離對氣泡坍塌的影響，并且證明了MRT-SC模型能夠準確描述其過程。除了以上這些影響因素外，超聲發生器與樣品的俯仰角也會對微射流的速度產生影響，俯仰角越大微射流速度越小，從而導致腐蝕坑的數量和大小都有所減小[21]。

對于微射流速度及沖擊壓力也有許多定量的研究報告。最初Lauterborn和Bolle[30]采用高速攝像拍攝到了單個空化泡在近固壁表面坍塌時初始階段的動力學行為，通過對實驗結果的觀測得出微射流的速度為幾百米每秒的結論。隨后隨著空蝕現象的研究，許多學者通過對材料表面空蝕坑的研究來反演分析作用在材料表面力的相關信息。Tzanakis等[18]通過對鋼樣上空化所致凹坑幾何特征及形變模式的分析計算得出單個空泡產生的微射流速度為200-700m/s，流體動壓沖擊壓力為0.4-1GPa。而Ye[31]的研究認為凹坑的深度是由微射流的速度和直徑共同決定的，當將徑深比為16～68的凹坑看作單個微射流作用結果時反演分析得出其速度為310～370m/s，沖擊強度為420～500MPa。表1為一些學者通過不同方式產生空化后對微射流速度的研究結果。

表1 微射流速度的定量研究

2.2 空蝕損傷中的溫度

Nowotny[37]和Gavranek等人[38]觀察到氣泡崩塌的最后階段泡內高溫使金屬強度降低甚至使金屬表面產生熔化。但對于泡內溫度一直都沒有定論，因為空化泡在急劇縮塌過程中的高溫局部而短暫，且由于溶液介質的存在加熱冷卻速率超過1010K/s[24]，這使我們很難直接測量到其溫度，只能通過一些實驗現象及數值模擬去間接推算其溫度。Wu和Roberts[39]通過理論計算得出聲空化泡在急速潰滅時泡內溫度可達108K，但他們的研究并沒有考慮液體的可壓縮性、表面張力以及傳熱等因素，因此得到的泡內溫度較為理想化。之后，Kwak等[40，41]在考慮了液體可壓縮性和傳熱因素后，得出聲空化的泡內溫度范圍為7000～44000 K。但實際空蝕過程中，由于傳熱問題，金屬表面的有效溫度并不能達到這么高。王等[42]通過實驗推測出空泡潰滅后到達樣品表面的有效溫度可以達到1100K左右，其在奧氏體鋼空蝕樣表面發現了高溫η-Ni3Ti相和晶粒尺寸為30nm納米晶的存在。目前通過理論及實驗得出的空泡溫度差異較大，無法形成統一定論，并且驅動壓力及空泡半徑等都會對泡內溫度產生影響，空泡平衡半徑的增加會使泡內溫度逐漸減少，而壓力的增加則使泡內溫度逐漸增加[43，44]。因此，對于泡內溫度及其短暫存在時間帶來的效應還值得更深入的研究。

3 結束語

空化及其所產生空蝕效應的研究在臨床增效及材料科學領域都具有重要的研究意義和應用價值。一方面，對空蝕的合理利用及負面影響的有效避免在很多情況下能夠為我們的生產、生活提供便利，也能夠使人們對空化的過程及機制有更深的認識，完善其應用。另一方面，對空蝕過程及機制的研究也有助于了解材料在空化這種綜合極端物理環境下的力學行為，對需要在液體中服役需要具有超強抗空蝕性能材料的研發及制備具有重大意義。但目前，關于近固壁氣泡動力學的實驗及數值模擬多為常壓下單個氣泡的研究，對于實際空蝕過程中多泡的研究仍然很少。并且，雖然我們可以通過高速攝像及emICCD等儀器觀測到空化泡，但仍然無法準確地捕獲到空蝕的過程。因此，對于氣泡動力學、空蝕過程及機制的研究仍然具有很大的挑戰。

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