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小泡泡大威力
文章来源:力学研究所    发布时间:2017-12-12

  气泡是自然界中一种常见的现象,看起来柔和美丽。然而今天我们要介绍的,是一种具有巨大威力的气泡:空泡。

    空泡在自然界中,可算得上是“武器”级的。下图是一只手枪虾,一般体长只有5cm左右,有一大一小一对螯。它会制造空泡,在猎食时把空泡当做”武器”,利用空泡击晕或杀死虾钳前方的小鱼小蟹。空泡消失溃灭时会发出噼啪噼啪的声音,这也是它们被称为手枪虾的由来。当手枪虾群聚集时,它们发出的大量噪声能够影响水声通讯,甚至能够让潜艇用以避开声呐的探测追踪。这么个小泡泡,是怎样产生,又为什么会有这么大的威力呢?

手枪虾照片(上)和手枪虾“发射”时产生的射流空泡(下)(图片来自互联网)

 

视频1手枪虾捕猎的介绍(来自互联网)

  简单来说,空泡是水中一部分压力降至饱和蒸气压以下时,液态水发生空化相变从而产生的气泡,这些气泡是主要是由蒸气和某些溶解于水中的气体组成的。还是有点难理解?为了说明这个问题,我们先来复习两个知识点:

  第一个知识点,我们知道水是有三态的,分别是气态、液态和固态,简言之就是水蒸气、水和冰。后续我们要用到气态和液态两种形式。

水的三态(图片来自于互联网)

  第二个知识点,我们知道温度和压力会影响流体的形态,温度的影响很简单,比如烧开水,部分水会由液态变成气态;压力的影响也比较常见,比如做饭用的液化气,医疗上用到的液氧、液氮,装在耐高压的密封的罐子里的时候都是液态的,一旦释放出来压力降低,就会变为气态。因此,液体的气化现象可以通过升高温度或者降低压力两种方式发生。液体在每个温度下都会有一个对应的饱和蒸汽压力,这就构成了气/液两相的界限。下图中高压、低温一侧是液态,而低压、高温一侧则是气态。通过加热提高温度可以产生沸腾气化现象,而通过降低压力使其低于饱和蒸气压时,产生的气化现象就是空化了。

水的气化发生条件(Franc J P 2006)

  因此,一切能够在液体中产生低压的方法,都有可能诱发空化,进而产生空泡。例如,水中高速航行的物体,表面局部压力会变得很低;超声波、冲击波、激光等也都有可能导致低压,从而诱导空泡的产生。前面提到的手枪虾,就是通过将巨螯迅速闭合,喷出超过30m/s的高速射流,射流附近压力降低,从而诱导产生空泡。

  空泡有很多种形态,最常见的就是物体表面的独立的气泡或者小气泡构成的气泡群,泡内的主要成分是水蒸气。气泡的运动行为主要由压力控制,外部高压作用下,气泡会产生强烈的坍缩溃灭。这种溃灭能够将整个气泡的势能集中于一个非常小的点上,能量密度非常高,据计算温度高达几万摄氏度以上,甚至产生光和聚变,即声致发光(sonoluminesence)和声致聚变(Sonofusion)现象。如下图中,气泡溃灭过程中,形成了高速的指向壁面射流,产生了巨大的冲击作用。

单气泡贴近壁面溃灭与射流(By Li S C)(图片请用动画1替代)

  单个气泡虽小,累积起来的威力是非常巨大的,会对结构产生明显的剥蚀破坏,称为“空蚀”或“气蚀”。现实生活中一个能够体现空泡巨大威力的例子来自于水利领域。下图是胡佛水坝的泄洪通道,高速水流产生巨大的负压区和大量的空泡,空泡溃灭在洞壁处挖了一个巨大的洞(红色箭头所指的是洞口,洞旁红圈所围住的白色部分是一个工作人员)。

胡佛水坝溢洪道由于空蚀形成的大洞 (By Farvey 1990)

  为了避免这一问题,工程师通常采取“掺气减蚀”的办法,即通过专门的通路将外部不可凝结的空气通入到水蒸气空泡内部。溃灭过程中这部分掺进来的空气只会被压缩不会像水蒸气一样凝结相变,从而就像在空泡了增加了“弹簧”、“气垫”一样,减弱了溃灭的压力,保护了结构的完整性。

  在水翼、螺旋桨、水轮机叶片等所处的流场中,也会产生大量的空泡,空泡溃灭产生局部高能冲击载荷进而诱导表面的空蚀破坏(如下图),而压力脉冲的累积效应也能够诱发强烈的振动、噪声等问题。日本H2火箭由于非稳态空泡引起了轴流泵诱导轮的振动破坏,最终导致了发射失败,类似的空泡诱导振动问题在美国的火箭设计中也屡次被报道。螺旋桨空泡噪声也是潜艇隐蔽性中的重要问题。因此,在高速水动力学领域,空泡溃灭可以说是工程应用中的头号敌人。如下图均为典型的空蚀结构破坏图。

  典型的空蚀结构破坏图:

  (a)水轮机叶片空蚀(Brennen, 2011)

  (b)水泵诱导轮空蚀(Brennen, 2011)

  (c)螺旋桨舵面空蚀 (By Straka W)

  不过,空泡溃灭产生的高压,也可以为人类所用。超声清洗是最常见的应用方式,我们洗眼镜用到的超声清洗机、刷牙时用的声波震动式电动牙刷,都是用超声波的方式在水中产生大量小空泡,利用空泡溃灭的压力来剥落污垢的。医学领域目前已可以广泛用于碎石(下图)、吸脂、杀菌、造影、药物输运、溶栓治疗等等。如下为超声碎石效果实验对比图。

超声碎石效果实验 (左侧为术前、右侧为术后,超声空化引起的空泡溃灭在人工石表面产生了许多的剥落凹坑)

  除了工程领域,自然界中也有许多的现象与空泡相关,影响着许多水生动物的行为。很容易想到的,许多大型的哺乳动物或鱼类,游动速度能够超过15m/s,尾鳍处可能会产生空泡,也会出现类似空蚀的效果。有报道称,海豚游动的速度限制主要来自于空化,因为空泡溃灭会让它们觉得很痛。而金枪鱼因为尾鳍是骨质的,没有神经和疼痛感,据称瞬时最高时速能够达到160km/h。也有学者观察到金枪鱼尾鳍上由于空蚀形成的小坑。(“dolphins swim so fast it hurts”, New scientists, 2008)

  相比鱼类的痛苦不堪,许多聪明的虾类反而把空泡作为他们绝妙的武器。拥有巨大锤肢的雀尾螳螂虾(peacock Mantis Shrimp,跟美味的皮皮虾是同类)虽然外表很漂亮,但当它用巨大的肢端击打猎物时,冲击效果能够产生空泡并利用溃灭高压来攻击,这一方式能够轻易地击碎蟹壳(“Deadly strike mechanism of a mantis shrimp”, Nature, 2004)。大家可以回顾篇首提到的手枪虾,仿佛自带武器一般,是不是立马觉得它们像个危险分子。喜欢养此类虾的同学们要注意了,小心水族箱被击碎哦。

雀尾螳螂虾用锤肢打击贝壳产生空泡溃灭现象(图片来自互联网)

  (作者:王一伟,中国科学院流固耦合系统力学重点实验室研究员)

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