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出品：科普中國(guó)

作者：王永九（中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所）

監(jiān)制：中國(guó)科普博覽

編者按：為了解前沿科技動(dòng)態(tài)，科普中國(guó)前沿科技項(xiàng)目推出“帶你讀懂科學(xué)頂刊”系列文章，精選權(quán)威期刊的優(yōu)秀論文，第一時(shí)間用通俗語(yǔ)言進(jìn)行解讀。讓我們透過(guò)頂刊之窗，拓寬科學(xué)視野，享受科學(xué)樂(lè)趣。

在1942年初，一艘美國(guó)潛艇在望加錫海峽執(zhí)行任務(wù)時(shí)，偵聽(tīng)設(shè)備頻繁被“噼噼啪啪”的神秘噪聲干擾。起初，這些噪聲的來(lái)源令人困惑。然而，隨著科學(xué)家們?cè)诟浇Ｓ虬l(fā)現(xiàn)了大量聚集的手槍蝦，他們開(kāi)始推測(cè)這些海洋生物可能是這些異常噪聲的源頭。

1946年，加州大學(xué)戰(zhàn)爭(zhēng)研究部海軍電子實(shí)驗(yàn)室發(fā)表了一篇有趣的研究報(bào)告，揭示了這些巨大噪聲的真正來(lái)源——手槍蝦巨螯在快速閉合時(shí)產(chǎn)生的劇烈碰撞。

加州大學(xué)戰(zhàn)爭(zhēng)研究部海軍電子實(shí)驗(yàn)室關(guān)于槍蝦引起的噪聲研究報(bào)告

手槍蝦大鰲放大9倍的手繪圖

（圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)1）

然而直至2000年，荷蘭特溫特大學(xué)應(yīng)用物理教授Lohse及其研究團(tuán)隊(duì)，結(jié)合高速攝影技術(shù)和水聽(tīng)器設(shè)備，才真正揭開(kāi)了噪聲的神秘面紗，這實(shí)際上是水射流運(yùn)動(dòng)中形成的氣泡所致。

更令人驚訝的是，這些氣泡不僅能夠發(fā)出巨大的聲響，還具有驚人的破壞力。看到這里人們不禁好奇，這些神秘的氣泡究竟如何產(chǎn)生？它為何能發(fā)出如此大的聲音？又為何具有如此強(qiáng)大的破壞力？

（A）實(shí)驗(yàn)中水聽(tīng)器獲得的信號(hào)

（B）高速相機(jī)捕獲的空化氣泡的發(fā)展演化過(guò)程

（圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)2）

什么是空化現(xiàn)象？

為了解答前面這個(gè)問(wèn)題，我們必須理解一個(gè)基本的物理原理：那就是在流體中，流速增加時(shí)壓強(qiáng)會(huì)減小，而流速減小時(shí)壓強(qiáng)會(huì)增加，這是伯努利原理的體現(xiàn)。同時(shí)，液體的沸點(diǎn)會(huì)隨著壓強(qiáng)的降低而降低，這也是為什么我們?cè)诟吆０蔚貐^(qū)使用沸水煮雞蛋也難以煮熟的原因。

回到手槍蝦的話(huà)題，其大螯的快速閉合能夠產(chǎn)生高達(dá)115km/h的高速水流，這種速度形成的低壓足以使液態(tài)水在無(wú)需加熱的情況下直接轉(zhuǎn)化為水蒸氣，形成了我們看到的氣泡，這一過(guò)程被稱(chēng)為空化現(xiàn)象。

空泡氣泡產(chǎn)生后，由于其泡內(nèi)壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于外部水壓，氣泡會(huì)被迅速擠壓收縮，最終發(fā)生坍縮潰滅，產(chǎn)生沖擊波以及近210分貝的聲音，手槍蝦也正是利用這些空化氣泡，成為海洋里的奪命高手。

空化發(fā)生條件的示意圖

（圖片來(lái)源：本圖為作者參考文獻(xiàn)3Franc J P原圖制成）

空化的威脅：從噪聲到結(jié)構(gòu)破壞

這種空化氣泡的巨大噪聲和破壞力不僅限于手槍蝦，他們同樣會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)造成顯著的剝蝕破壞。特別是水下高速運(yùn)轉(zhuǎn)的水翼、螺旋槳以及水輪機(jī)的葉片，大量的空泡氣泡會(huì)在表面的低壓區(qū)形成，產(chǎn)生局部高能沖擊載荷進(jìn)而誘導(dǎo)表面的空蝕破壞，并誘發(fā)振動(dòng)、噪聲等一系列問(wèn)題。

這些問(wèn)題不僅會(huì)干擾水下通訊及聲吶的正常運(yùn)作，還可能因?yàn)樵肼暠┞蹲鳂I(yè)中艦艇的位置。同時(shí)，由于空化和空蝕的作用，設(shè)備系統(tǒng)的效率往往會(huì)降低，結(jié)構(gòu)遭受剝蝕破壞，甚至可能導(dǎo)致設(shè)備無(wú)法正常運(yùn)行。因此，在高速水動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域，空化氣泡無(wú)疑是工程應(yīng)用中的一大隱患，堪稱(chēng)頭號(hào)殺手。

水輪機(jī)葉片典型的空蝕結(jié)構(gòu)破壞圖

(圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)4)

化威脅為助力：空化技術(shù)的應(yīng)用

然而，正如事情總具有兩面性，空化作用也帶來(lái)了一些積極效果。

隨著空化的進(jìn)一步發(fā)展，空泡逐漸包裹整個(gè)繞流物體，形成“超空泡”。這種特殊的空泡可以使物體與外界水體完全隔離，將物體置于氣相中運(yùn)動(dòng)，從而將固/液界面轉(zhuǎn)變?yōu)楣?氣界面，降低了黏度，進(jìn)而大幅度減少了摩擦阻力。因此，在軍事和民用領(lǐng)域具有較大的應(yīng)用潛力。

20世紀(jì)軍工領(lǐng)域出現(xiàn)的超空泡魚(yú)雷就是這種技術(shù)的體現(xiàn)，它能使魚(yú)雷的航行速度從60節(jié)提高至200節(jié)以上，具有重要的軍事價(jià)值。但需要指出的是，這種超空泡的形成使得航行體被氣相環(huán)繞，受到外界干擾姿態(tài)發(fā)生變化時(shí),航行體部分沾濕會(huì)受到很大的尾拍力矩影響,其長(zhǎng)航時(shí)姿態(tài)穩(wěn)定控制存在很大難度。

超空泡流動(dòng)示意圖

（圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)5）

未來(lái)探索：高速水面航行器

其實(shí)早在60年前，我國(guó)“兩彈一星功勛獎(jiǎng)?wù)隆鲍@得者、中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所第一任所長(zhǎng)錢(qián)學(xué)森就前瞻性地提出了與超空泡技術(shù)相關(guān)的“超氣蝕”翼面的概念。他在《力學(xué)學(xué)報(bào)》一篇水翼理論文章中，提出時(shí)速超過(guò)90公里的應(yīng)用，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)已不適用，就必須用到這種翼型。這一遠(yuǎn)超當(dāng)時(shí)研究范圍的概念，如今得到驗(yàn)證和應(yīng)用。

在錢(qián)學(xué)森親手創(chuàng)建的中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所，科研團(tuán)隊(duì)利用該技術(shù)，研制出的新概念高速船模型，使我國(guó)水面船的速度和穩(wěn)定性得到了大幅度提升，相關(guān)基礎(chǔ)理論研究成果近期也發(fā)表在流體力學(xué)權(quán)威期刊（Journal of Fluid Mechanics）上。這些研究成果不僅為提升船舶的航行速度提供了依據(jù)和思路，也為實(shí)現(xiàn)建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略目標(biāo)貢獻(xiàn)了力量。

相關(guān)成果被央視新聞報(bào)道

（圖片來(lái)源：央視新聞）

空化氣泡看似簡(jiǎn)單，卻展現(xiàn)了自然與物理的神奇結(jié)合。通過(guò)深入研究，科學(xué)家將進(jìn)一步探索如何更高效地利用這一現(xiàn)象，從而推動(dòng)高速流體力學(xué)在更多領(lǐng)域的突破。

參考文獻(xiàn)：

[1] Division of War Research at the U.S.Navy Electronics Laboratory, University of California, “Underwater noise caused by snapping shrimp” (San Diego, 1946)

[2] M Versluis, B Schmitz, A von der Heydt, D Lohse (2000). How Snapping Shrimp Snap: Through Cavitating Bubbles. Science, 289 (5487): 2114-2117.

[3] Franc J. P., Michel J. M. Fundamentals of cavitation. Springer, 2004.

[4] Christopher E. Brennen. An introduction to cavitation fundamentals, 2011

[5] Jaeho Chung1 and Yeunwoo Cho. Ventilated supercavitation around a moving body in a still fluid: observation and drag measurement J. Fluid Mech. (2018), vol. 854, pp. 367-419.