体相纳米气泡对于激光诱发空化的影响研究

【作者】 厉明波； 高雅温； 王本龙； 孙超；

【机构】 上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院工程力学系； 清华大学能源与动力工程系/燃烧能源中心；

【摘要】 空化现象广泛存在于自然界和工程应用中,但由于其动力学演变的复杂性,涉及多个微观物理过程,对于其机理的研究远未明晰。如何有效地规避或高效地利用空化作用本质上取决于对于空化核这一介质因素的认知。体相纳米气泡是自由悬浮在液体中的纳米尺度气态域,其典型半径小于500 nm。体相纳米气泡的发现及其稳定特性,突破了经典热力学/动力学理论的框架,为空化相变的研究提供了完全崭新的视角与理论挑战。激光诱导空化动力学方面目前得到了广泛的研究,但对体相纳米气泡在这一过程中的作用仍缺乏探索。以往的研究主要集中在微米尺度气核或气穴上,而忽略了这些纳米尺度气体分子域的潜在影响。本研究重点关注纳米气泡尺寸分布及浓度对于空化行为的影响,其显著改变了空化气泡的成核、生长和坍塌动力学。结果发现,由于纳米气泡的存在,激光击穿阈值显著降低,且该阈值对于纳米气泡浓度并不敏感。激光能量沉积诱发空化后,产生了两种类型的空化泡,即主空化泡(～100μm)和二次空化泡簇(～10μm)。主空化气泡沿激光聚焦光轴直线成核,其数量和尺寸依赖于初始存在的纳米气泡浓度;而二次空化的发生和强度取决于纳米气泡的浓度和脉冲激光能量。该研究对于激光可控空化应用方面以及从基础研究角度揭示纳米气核对于空化的影响具有重要意义。更多还原