近固壁气泡空蚀过程及机制研究进展

刘雅璐　李成海　刘继辉　李发琪

摘  要：近固壁气泡空化所产生综合极端条件会对材料产生侵蚀作用。目前，对于空化的研究已经实现了从空蚀损伤到合理利用的转化，但空蚀对需要在液体环境中服役材料造成的损失仍十分严重。近固壁空化泡破裂时所产生的高温高压、微射流及冲击波等效应都会对固壁产生一定影响，但目前对于其损伤过程及机制都还没有形成统一理论，其机制涉及气泡动力学、流体力学及材料学等多个方面，十分复杂。因此，综述了近固壁气泡空蚀损伤过程及损伤机制等方面的研究进展，为空蚀的进一步研究提供参考。

关键词：空蚀;冲击波;微射流;温度

中图分类号：TB126         文献标志码：A         文章编号：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]对船舶螺旋桨上的损伤进行了研究，首先提出了空蚀现象。随后，研究者们通过许多实验及理论模拟对空蚀产生、增强的过程及机制进行了研究。目前，通过对空蚀的研究已经可以有效减少其带来的损伤，并将其广泛应用到各个领域，例如，超声清洁[2]、超声珩磨[3]、组织消融[4]等。因此，近固壁气泡对固壁产生损伤过程及机制的研究具有非常重要价值。

空化是指液体由于外力作用导致空化核外部压力变化，从而使其生长、振荡、崩溃的过程。空化会伴随产生高温、高压以及冲击波等效应。极端高温可以诱发自由基（OH-）生成[5]和声致发光现象[6]。而对于靠近固壁的空泡由于固壁的存在会使空泡近固壁一侧和远离固壁一侧压力不均衡，远离固壁的一侧压力大于靠近固壁一侧，导致气泡非球形塌缩，形成指向壁面具有一定速度的微射流。大振幅冲击波和微射流的相互作用有可能在材料表面产生高达几百兆帕的流体动压峰值，从而导致材料严重损坏[7，8]。目前对于空蚀损伤过程及损伤机制都还没有形成统一理论，它是空泡溃灭时产生的综合极端条件与材料相互作用的结果。为此，本文对近固壁气泡空蚀损伤过程及损伤机制的研究进展进行了综述，为空蚀的进一步研究提供参考。

1 空蚀损伤过程的研究

固体表面空蚀很大程度上取决于产生空化的方式（声学，激光，流体动力）和试样特性。超声、电火花及激光产生的空化会在同一位置生长，水力所产生的空化更为随机。因此有些通过ASTM G32-10测试具有抗空蚀性能的材料在实际应用中并不能很好的起到抗空蚀的作用。当空化泡与固壁面的距离小于其最大半径的两倍（r=s/Rmax<2，s为空化泡中心到固体表面的距离，Rmax为气泡最大半径）时就会对固体表面产生损伤[9]。首先空泡会在光滑的固体表面上随机的产生凹坑，导致固体表面轮廓发生变化，此阶段并不一定产生质量损失，为孵化期[10]。Chen等[11]通过对水力空化的研究发现，表面轮廓的变化会使固体表面产生压力波动，凹坑的上升边缘会产生高压区域，导致气泡在上升沿上崩溃。当表面上有两个接触凹坑时，将形成两个高压区域。气泡可能在第一个高压域上升沿崩溃，在两个凹坑之间的脊上形成一个新的凹坑，从而形成“凹坑链”。最后当凹坑底部的粗糙度足以生成高压区域时，气泡会在底部坍塌，从而使侵蚀垂直发展，空蚀沿着纵向和横向同时发展，并且空蚀区域材料强度的减弱也会导致其产生更严重的损伤。粗糙度较高的表面还更容易形成空化核，加剧固体表面空蚀损伤程度。Arndt[12]建立了表面粗糙程度与空化初期空化泡数量之间的关系。除了表面粗糙度以外，表面的润湿性也对空化腐蚀结果有一定的影响[13]。

由于空蚀从产生到溃灭是一个十分快速并且复杂的过程，因此固体表面空蚀过程的观察一直以来都是一个难题。Philipp和Lauterborn[9]通过使用激光产生相同直径大小空化泡对材料损伤的研究表明，单个空化气泡的破裂会导致多个腐蚀坑。Dular等[14]通过立体视图及形状阴影算法对高速摄像拍摄的超声空化作用下铝箔表面凹坑形貌进行了重建，对其进行了定量分析，实现了空蚀过程的实时评估。Wang[15]等通过对Si、Al3Ti和Al3V三种不同力学性能及形貌初晶的研究发现初晶在破裂之前经历了多个气泡云的空蚀，认为初晶中裂缝的形成和传播可能与疲劳机制有关。因此，通过对材料表面空蚀损伤的研究可以使我们对空蚀的过程有进一步的认识。

2 空蚀损伤机制的研究

对于空化损伤的机制，最早认为是由球形腔附近产生的高压所导致。1944年Kornfeld和Suvorov提出损伤是由固体表面附近气泡上形成的液体射流引起的。随后Benjamin和Ellis[16]通过实验证明了微射流的存在，当微射流撞击到固体表面对其产生应变的过程类似于水锤作用。Plesset等[17]通过理论进一步肯定了射流在空化损伤中的决定性作用。Tzanakis[18]等使用3D光学干涉仪观察到实验后材料表面有对称圆锥和不规则形状两种凹坑，认为其中不规则的凹坑可能是微射流和冲击波共同作用的结果，而对称的圆锥凹坑是由微射流单独作用所形成的，表明了微射流及冲击波都会对材料造成损伤。Wang等人[19]采用边界积分法（Boundary Integral Method， BIM）对空蚀的模拟结果表明微射流撞击壁面时所产生的冲击压力为空蚀损伤的主要机制，而温度、冲击波等为辅助机制。因此，目前对于空化损伤的主要机制普遍认为是力的作用，主要是微射流和冲击波[20]。微射流在到达固壁之前会因流体产生很大程度的衰减[21]，因此当气泡在距固体壁超出一定距离时冲击波在最小气泡体积下以高压振幅的方式发出[19]起到主要作用，其速度可以高达4000m/s、压力高达106kPa[22]。而当一定距离内（r≤0.7）[9]微射流则为主要原因[23]。除力学机制外，由于空泡在溃灭时会产生高达5000K的高温[24]，热效应也是造成熔点低于空泡有效温度材料空化损伤的重要因素之一。Chen等[25，26]在不锈钢材料表面空蚀现象的研究中发现低碳钢表面侵蚀坑周围因热气泡的作用产生了主要成分为Fe2O3的高温氧化彩虹环。除此之外，空蚀形成及进一步的增强与液体中气泡高速振荡所形成的微声流也有很大的关系[27]。

2.1 空蚀损伤中的微射流

影响微射流的因素有很多，Philipp[9]的实验结果和Wang[19]的数值模拟结果都显示空泡中心与壁面间距越小微射流的直径越大，并且相对于坍塌而言微射流的形成越早。随后，Aganin[28]等使用基于边界元法（Boundary Element Method， BEM）的欧拉公式研究了空化泡横纵轴比率及其与壁面距离对微射流速度及压力的影响。而Shan等[29]使用基于D2Q9方格的多重松弛时间Shan-Chen（Multiple relaxation time Shan-Chen， MRT-SC）模型研究了初始状态下气泡内外压强差和气泡与固壁面之间的距离对气泡坍塌的影响，并且证明了MRT-SC模型能够准确描述其过程。除了以上这些影响因素外，超声发生器与样品的俯仰角也会对微射流的速度产生影响，俯仰角越大微射流速度越小，从而导致腐蚀坑的数量和大小都有所减小[21]。

对于微射流速度及冲击压力也有许多定量的研究报告。最初Lauterborn和Bolle[30]采用高速摄像拍摄到了单个空化泡在近固壁表面坍塌时初始阶段的动力学行为，通过对实验结果的观测得出微射流的速度为几百米每秒的结论。随后随着空蚀现象的研究，许多学者通过对材料表面空蚀坑的研究来反演分析作用在材料表面力的相关信息。Tzanakis等[18]通過对钢样上空化所致凹坑几何特征及形变模式的分析计算得出单个空泡产生的微射流速度为200-700m/s，流体动压冲击压力为0.4-1GPa。而Ye[31]的研究认为凹坑的深度是由微射流的速度和直径共同决定的，当将径深比为16～68的凹坑看作单个微射流作用结果时反演分析得出其速度为310～370m/s，冲击强度为420～500MPa。表1为一些学者通过不同方式产生空化后对微射流速度的研究结果。

表1 微射流速度的定量研究

2.2 空蚀损伤中的温度

Nowotny[37]和Gavranek等人[38]观察到气泡崩塌的最后阶段泡内高温使金属强度降低甚至使金属表面产生熔化。但对于泡内温度一直都没有定论，因为空化泡在急剧缩塌过程中的高温局部而短暂，且由于溶液介质的存在加热冷却速率超过1010K/s[24]，这使我们很难直接测量到其温度，只能通过一些实验现象及数值模拟去间接推算其温度。Wu和Roberts[39]通过理论计算得出声空化泡在急速溃灭时泡内温度可达108K，但他们的研究并没有考虑液体的可压缩性、表面张力以及传热等因素，因此得到的泡内温度较为理想化。之后，Kwak等[40，41]在考虑了液体可压缩性和传热因素后，得出声空化的泡内温度范围为7000～44000 K。但实际空蚀过程中，由于传热问题，金属表面的有效温度并不能达到这么高。王等[42]通过实验推测出空泡溃灭后到达样品表面的有效温度可以达到1100K左右，其在奥氏体钢空蚀样表面发现了高温η-Ni3Ti相和晶粒尺寸为30nm纳米晶的存在。目前通过理论及实验得出的空泡温度差异较大，无法形成统一定论，并且驱动压力及空泡半径等都会对泡内温度产生影响，空泡平衡半径的增加会使泡内温度逐渐减少，而压力的增加则使泡内温度逐渐增加[43，44]。因此，对于泡内温度及其短暂存在时间带来的效应还值得更深入的研究。

3 結束语

空化及其所产生空蚀效应的研究在临床增效及材料科学领域都具有重要的研究意义和应用价值。一方面，对空蚀的合理利用及负面影响的有效避免在很多情况下能够为我们的生产、生活提供便利，也能够使人们对空化的过程及机制有更深的认识，完善其应用。另一方面，对空蚀过程及机制的研究也有助于了解材料在空化这种综合极端物理环境下的力学行为，对需要在液体中服役需要具有超强抗空蚀性能材料的研发及制备具有重大意义。但目前，关于近固壁气泡动力学的实验及数值模拟多为常压下单个气泡的研究，对于实际空蚀过程中多泡的研究仍然很少。并且，虽然我们可以通过高速摄像及emICCD等仪器观测到空化泡，但仍然无法准确地捕获到空蚀的过程。因此，对于气泡动力学、空蚀过程及机制的研究仍然具有很大的挑战。

参考文献：

[1]F.R.S L R O M. VIII. On the pressure developed in a liquid during the collapse of a spherical cavity[J]. Philosophical Magazine， 1917，34（200）：94-98.

[2]Mat-Shayuti M S Y T M Y S T， Abdullah M Z， Et Al. Progress in ultrasonic oil-contaminated sand cleaning： a fundamental review[J]. Environmental Science and Pollution Research International，2019，26（26）.

[3]Ye Linzheng Z X. Analysis of cavitation orthogonal experiments in power ultrasonic honing[J]. Advances in Mechanical Engineering， 2017，9（7）：168781401771294.

[4]Curtiss G A， Leppinen D M， Wang Q X， et al. Ultrasonic cavitation near a tissue layer[J]. Journal of Fluid Mechanics， 2013，730（730）：245-272.

[5]Takahashi M， Chiba K， Li P. Free-radical generation from collapsing microbubbles in the absence of a dynamic stimulus[J]. Journal of Physical Chemistry B， 2007，111（6）：1343-1347.

[6]Biryukov D A， Val'yano G E， Gerasimov D N. Damage of an Ultrasonic-Waveguide Surface during Cavitation Accompanied by Sonoluminescence[J]. Journal of Surface Investigation： X-ray， Synchrotron and Neutron Techniques， 2018，12（1）：175-178.

[7]Williams P R， Williams P M， Brown S W J. A technique for studying liquid jets formed by cavitation bubble collapse under shockwaves， near a free surface[J]. Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics， 1997，72（1）：101-110.

[8] Prentice P， Cuschieri A， Dholakia K， et al. Membrane disruption by optically controlled microbubble cavitation[J]. Nature Physics， 2005，1（2）：107-110.

[9]Philipp A， Lauterborn W. Cavitation erosion by single laser-produced bubbles[J]. Journal of Fluid Mechanics， 1998，361：75-116.

[10] Qiao Y， Tian Z， Cai X， etal. Cavitation Erosion Behaviors of a Nickel-Free High-Nitrogen Stainless Steel[J]. Tribology Letters， 2019，67（1）.

[11]Haosheng C， Yongjian L， Darong C， etal. Experimental and numerical investigations on development of cavitation erosion pits on solid surface[J]. Tribology Letters， 2007，26（2）：153-159.

[12]Arndt R E A， Ippen A T. Rough Surface Effects on cavitation inception[J]. Journal of Basic Engineering， 1968，90（2）：249-261.

[13]Jones S F， Evans G M， Galvin K P. Bubble nucleation from gas cavities-a review[J]. Advances in Colloid & Interface Science， 1999，80（1）：27-50.

[14]Dular M， Delgosha O C， Petkovsek M. Observations of cavitation erosion pit formation[J]. Ultrasonics Sonochemistry， 2013，20（4）：1113-20.

[15]Wang F， Tzanakis I， Eskin D， et al. In-situ observation of ultrasonic cavitation-induced fragmentation of the primary crystals formed in Al alloys[J]. Ultrasonics Sonochemistry， 2017，39：66-76.

[16]Benjamin T B， Ellis A T. The Collapse of Cavitation Bubbles and the Pressures thereby Produced against Solid Boundaries[J]. Philosophical Transactions of the Royal Society of London， 1966，260（1110）：221-240.

[17]Plesset M S， Chapman R B. Collapse of an initially spherical vapour cavity in the neighbourhood of a solid boundary[J]. Journal of Fluid Mechanics， 1971，47（2）：283-290.

[18]Tzanakis I， Eskin D G， Georgoulas A， et al. Incubation pit analysis and calculation of the hydrodynamic impact pressure from the implosion of an acoustic cavitation bubble[J]. Ultrasonics Sonochemitry， 2014，21（2）：866-878.

[19]Wang Qianxi L W， Zhang A. M，Sui Yi. Bubble dynamics in a compressible liquid in contact with a rigid boundary[J]. Interface Focus， 2015，5（5）：20150048.

[20]Liu Wei Z Y， Yao Zhiming，Et Al. RESEARCH PROGRESS ON CAVITATION EROSION OF METALLIC MATERIALS[J]. Journal of Chinese Society For Corrosion and Protection， 2001，21（4）：250-255.

[21]Chen H S， Wang J D， Li Y J， et al. Effect of hydrodynamic pressures near solid surfaces in the incubation stage of cavitation erosion[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers， Part J： Journal of Engineering Tribology， 2008，222（4）：523-531.

[22]Pecha R， Gompf B. Microimplosions： cavitation collapse and shock wave emission on a nanosecond time scale[J]. Physical Review Letters， 2000，84（6）：1328.

[23]A. Shima K T a Y T. Mechanisms of the bubble collapse near a solid wall and the induced impact pressure generation[J]. Rep. Inst. High Speed Mech， 1984，48.

[24]Suslick K S， Flannigan D J. Inside a Collapsing Bubble： Sonoluminescence and the Conditions During Cavitation[J]. Annual Review of Physical Chemistry， 2008，59（1）：659-683.

[25]Haosheng C， Jiang L. A ring area formed around the erosion pit on 1Cr18Ni9Ti stainless steel surface in incipient cavitation erosion[J]. Wear， 2009，266（7-8）：884-887.

[26]Chen H. Iridescent rings around cavitation erosion pits on surface of mild carbon steel[J]. Wear， 2010，269（7-8）：602-606.

[27]陈伟中.声空化物理[M].北京：科学出版社，2014：178-181.

[28]Aganin A A， Ilgamov M A， Kosolapova L A， et al. Dynamics of a cavitation bubble near a solid wall[J]. Thermophysics and Aeromechanics， 2016，23（2）：211-220.

[29]Xue H-H， Shan F， Guo X-S， et al. Cavitation Bubble Collapse near a Curved Wall by the Multiple-Relaxation-Time Shan-Chen Lattice Boltzmann Model[J]. Chinese Physics Letters， 2017，34（8）：084301.

[30]W Lauterborn H B. Experimental investigations of cavitation-bubble collapse in the neighbourhood of a solid boundary[J]. Journal of Fluid Mechanics， 1975，72（2）：391-399.

[31]Ye Linzheng Z X. Analysis of the effect of impact of near-wall acoustic bubble collapse micro-jet on Al 1060[J]. Ultrasonics Sonochemistry， 2017，36：507-516.

[32]M. Mcd.  Grant  P a L. Liquid impact on a bilinear elastic-plastic solid and its role in cavitation erosion[J]. Journal of Fluid Mechanics， 1987，176：237-252.

[33]Chen H， Jiang L， Chen D， et al. Damages on steel surface at the incubation stage of the vibration cavitation erosion in water[J]. Wear， 2008，265：692-698.

[34]Petkovek R， Gregori P. A laser probe measurement of cavitation bubble dynamics improved by shock wave detection and compared to shadow photography[J]. Journal of Applied Physics， 2007，102（4）：044909-044909-9.

[35]Gonzalez Avila S R S C， Ohl C D. Fast transient microjets induced by hemispherical cavitation bubbles[J]. Journal of Fluid Mechanics， 2015，767：31-51.

[36]Futakawa M N T， Kogawa H， Et Al. Micro-impact damage caused by mercury bubble collapse[J]. JSME International Journal， 2005，48（4）：234-239.

[37]Nowotny H. Destruction of Materials by Cavitation[J]. VDI-Verlag， 1942.

[38]V.V. Gavranek， D.N. Bol'shutkin， Zel'dovich V I. Thermal and mechanical action of a cavitation zone on the surface of a metal[J]. Fiz. Metal IMetalloved， 1960，10：262-268.

[39]Wu C C， Roberts P H. Shock-wave propagation in a sonoluminescing gas bubble[J]. Phys Rev Lett， 1993，70（22）：3424-3427.

[40]Kwak H， Yang H， Hong J. An aspect of sonoluminescence from hydrodynamic theory[J]. The Journal of the Acoustical Society of America， 1994，96（5）：3253-3253.

[41]Ho-Young Kwak J H N. Hydrodynamic Solutions for a Sonoluminescing Gas Bubble[J]. Physical Review Letters， 1996，77（21）：4454-4457.

[42]王者昌，張毅，张晓强.空蚀过程中的热效应[J].材料研究学报，2001，15（3）：287-290.

[43]Huai X， Yan R， Cai J， et al. Dynamic analysis on temperature evolution inside a single bubble due to hydrodynamic cavitation under turbulence[J]. Chinese Science Bulletin， 2011，56（12）：947-955.

[44]Flannigan D J， Suslick K S. Plasma formation and temperature measurement during single-bubble cavitation[J]. Nature， 2005，434（7029）：52-55.