2.2實驗用液體(ti)

由于本(ben)文(wen)研(yan)究液(ye)體張力(li)變化對固壁面近(jin)旁空泡生長和潰滅過程(cheng)的(de)影響，因(yin)此所用液(ye)體的(de)粘滯系數μ及密(mi)度ρ應大體相(xiang)近(jin)，在空氣中的(de)表面張力(li)應有較大差異(yi)。實驗采用5種液(ye)體，其表面張力(li)如表1所示。

表1實(shi)驗液(ye)體的表面張力

3實驗結果與討論

3.1空泡的脈動過程

圖(tu)(tu)(tu)(tu)3給出了探(tan)(tan)測光(guang)經過脈動(dong)空(kong)泡(pao)(pao)(pao)的(de)示意圖(tu)(tu)(tu)(tu)，圖(tu)(tu)(tu)(tu)中(zhong)空(kong)泡(pao)(pao)(pao)脈動(dong)特(te)性曲線是(shi)基于空(kong)泡(pao)(pao)(pao)半(ban)徑隨(sui)時(shi)間變化(hua)的(de)數值(zhi)模擬得到的(de)。圖(tu)(tu)(tu)(tu)4即為由探(tan)(tan)測裝置圖(tu)(tu)(tu)(tu)2（a）獲得的(de)對應(ying)的(de)典型光(guang)偏轉信(xin)(xin)號波形(xing)圖(tu)(tu)(tu)(tu)，它包含了激光(guang)作用于水中(zhong)靶材(cai)時(shi)的(de)三種(zhong)物理現(xian)象和過程，即激光(guang)等(deng)離子(zi)(zi)體(ti)沖擊波、等(deng)離子(zi)(zi)體(ti)空(kong)泡(pao)(pao)(pao)及其反(fan)彈現(xian)象、空(kong)泡(pao)(pao)(pao)潰(kui)滅沖擊波。圖(tu)(tu)(tu)(tu)中(zhong)峰(feng)a為激光(guang)等(deng)離子(zi)(zi)體(ti)沖擊波；c為等(deng)離子(zi)(zi)體(ti)空(kong)泡(pao)(pao)(pao)信(xin)(xin)號；e為空(kong)泡(pao)(pao)(pao)反(fan)彈信(xin)(xin)號；f為空(kong)泡(pao)(pao)(pao)收縮到最小(xiao)泡(pao)(pao)(pao)體(ti)積時(shi)輻射的(de)沖擊波信(xin)(xin)號；b為空(kong)泡(pao)(pao)(pao)膨脹壁(bi)；d為空(kong)泡(pao)(pao)(pao)收縮壁(bi)。

圖(tu)3探測光經過脈動空(kong)泡(pao)的示意圖(tu)

 實驗中(zhong)激光單脈沖能量(liang)為(wei)32.6mJ,探(tan)測距離(li)從0mm變化到(dao)3.56mm.通過(guo)跟蹤不同探(tan)測距離(li)對(dui)應的(de)空泡壁（膨(peng)脹壁和收(shou)縮壁）到(dao)達的(de)時間(jian)，可(ke)以(yi)得(de)到(dao)泡壁的(de)運動規律，即(ji)R＝R（t），如圖5所(suo)示。

從(cong)圖5可以看出(chu)，表(biao)(biao)面(mian)(mian)張(zhang)力(li)(li)(li)(li)(li)減緩(huan)了空泡(pao)(pao)的(de)(de)(de)膨脹(zhang)過程。在(zai)初期(qi)(qi)，空泡(pao)(pao)膨脹(zhang)變(bian)緩(huan)的(de)(de)(de)現象不(bu)甚(shen)明顯，愈到后(hou)期(qi)(qi)越明顯。液體(ti)張(zhang)力(li)(li)(li)(li)(li)越大(da)，空泡(pao)(pao)對應的(de)(de)(de)最大(da)泡(pao)(pao)半(ban)(ban)徑(jing)(jing)越小(xiao)(xiao)(xiao)；表(biao)(biao)面(mian)(mian)張(zhang)力(li)(li)(li)(li)(li)加速(su)了空泡(pao)(pao)的(de)(de)(de)收縮(suo)(suo)。表(biao)(biao)面(mian)(mian)張(zhang)力(li)(li)(li)(li)(li)越大(da)，空泡(pao)(pao)收縮(suo)(suo)所能達到的(de)(de)(de)最小(xiao)(xiao)(xiao)泡(pao)(pao)半(ban)(ban)徑(jing)(jing)越小(xiao)(xiao)(xiao)，且表(biao)(biao)面(mian)(mian)張(zhang)力(li)(li)(li)(li)(li)縮(suo)(suo)短了空泡(pao)(pao)脈動(dong)周(zhou)期(qi)(qi)。從(cong)圖5還可以看出(chu)表(biao)(biao)面(mian)(mian)張(zhang)力(li)(li)(li)(li)(li)對空泡(pao)(pao)潰滅的(de)(de)(de)影(ying)響要強于對膨脹(zhang)的(de)(de)(de)影(ying)響。此外(wai)，激光泡(pao)(pao)半(ban)(ban)徑(jing)(jing)隨表(biao)(biao)面(mian)(mian)張(zhang)力(li)(li)(li)(li)(li)變(bian)化與液體(ti)的(de)(de)(de)表(biao)(biao)面(mian)(mian)張(zhang)力(li)(li)(li)(li)(li)數值(zhi)并不(bu)為線性關系，其關系有待研究(jiu)。

圖4實驗獲得的典型的光偏(pian)轉波形

圖5激光泡半(ban)徑隨時間的變(bian)化(hua)關系

由于表(biao)面(mian)(mian)張(zhang)力(li)(li)總(zong)是起減小空(kong)(kong)泡(pao)體積的(de)(de)作用，因(yin)此對(dui)于一個(ge)凸形(xing)空(kong)(kong)泡(pao)來說，表(biao)面(mian)(mian)張(zhang)力(li)(li)對(dui)空(kong)(kong)泡(pao)壁各處施加(jia)一個(ge)向(xiang)內的(de)(de)壓力(li)(li)，其作用與壓差ΔP（ΔP=2σ/R）的(de)(de)作用相類似。空(kong)(kong)泡(pao)半徑(jing)一定(ding)時，表(biao)面(mian)(mian)張(zhang)力(li)(li)σ越大(da)，附加(jia)壓強ΔP越大(da)，對(dui)空(kong)(kong)泡(pao)的(de)(de)緊縮作用越明顯，從(cong)而對(dui)空(kong)(kong)泡(pao)的(de)(de)運(yun)動影(ying)響越大(da)。對(dui)于初(chu)始(shi)是球形(xing)的(de)(de)固壁近旁(pang)的(de)(de)空(kong)(kong)泡(pao)，在生(sheng)長(chang)的(de)(de)時候，表(biao)面(mian)(mian)張(zhang)力(li)(li)能使(shi)空(kong)(kong)泡(pao)的(de)(de)生(sheng)長(chang)變成(cheng)一個(ge)穩定(ding)的(de)(de)過程，并盡量(liang)保持空(kong)(kong)泡(pao)的(de)(de)球形(xing)。在潰滅(mie)(mie)的(de)(de)時候，表(biao)面(mian)(mian)張(zhang)力(li)(li)會加(jia)速空(kong)(kong)泡(pao)的(de)(de)潰滅(mie)(mie)，使(shi)空(kong)(kong)泡(pao)的(de)(de)潰滅(mie)(mie)過程不穩定(ding)，使(shi)其產生(sheng)較大(da)的(de)(de)瞬時沖擊力(li)(li)。

3.2空泡(pao)的潰滅過程

若空(kong)泡在(zai)固壁(bi)面附(fu)近(jin)潰滅，泡表(biao)面的(de)(de)(de)壓力(li)梯度(du)會(hui)形成指(zhi)向靶(ba)材(cai)的(de)(de)(de)高速液體(ti)(ti)射(she)流(liu)。圖(tu)(tu)6為由探測裝置(zhi)圖(tu)(tu)2（b）獲(huo)得的(de)(de)(de)對(dui)應單脈沖(chong)能量為34mJ時，銅片在(zai)激光作用全過程中(zhong)所受的(de)(de)(de)典型力(li)學(xue)信(xin)號(hao)。圖(tu)(tu)中(zhong)可以明顯看(kan)(kan)到(dao)兩個峰的(de)(de)(de)存在(zai)，峰a為激光等離(li)子體(ti)(ti)產生的(de)(de)(de)燒(shao)蝕壓力(li)脈沖(chong)信(xin)號(hao)，峰b為射(she)流(liu)沖(chong)擊力(li)信(xin)號(hao)。從圖(tu)(tu)6可以看(kan)(kan)出，該激光能量作用下，射(she)流(liu)沖(chong)擊力(li)的(de)(de)(de)強度(du)遠大于等離(li)子體(ti)(ti)燒(shao)蝕力(li)。

圖(tu)6靶材在水中所受的典型力學信號

圖7力學(xue)信號與入(ru)射激光能量的關(guan)系(xi)

圖7給出(chu)了水中力學信號隨(sui)入(ru)射(she)激(ji)光(guang)能(neng)(neng)量(liang)(liang)變(bian)化的(de)(de)(de)(de)關系(xi)，其中等(deng)離(li)子(zi)體燒(shao)蝕(shi)(shi)力和(he)射(she)流沖(chong)(chong)擊(ji)力分(fen)別為a和(he)b.由圖可見(jian)，隨(sui)著激(ji)光(guang)作用(yong)能(neng)(neng)量(liang)(liang)的(de)(de)(de)(de)增加，等(deng)離(li)子(zi)體燒(shao)蝕(shi)(shi)力及射(she)流沖(chong)(chong)擊(ji)力的(de)(de)(de)(de)幅值均(jun)呈單調上升趨勢。這是因(yin)為入(ru)射(she)激(ji)光(guang)能(neng)(neng)量(liang)(liang)越大(da)，激(ji)光(guang)泡所(suo)含(han)能(neng)(neng)量(liang)(liang)相應變(bian)大(da)，空泡潰滅(mie)時(shi)所(suo)產生的(de)(de)(de)(de)射(she)流速度和(he)射(she)流沖(chong)(chong)擊(ji)力也相應變(bian)大(da)。但射(she)流沖(chong)(chong)擊(ji)力b強于等(deng)離(li)子(zi)體燒(shao)蝕(shi)(shi)力a的(de)(de)(de)(de)關系(xi)沒有(you)改(gai)變(bian)，這說明(ming)射(she)流沖(chong)(chong)擊(ji)力是造成靶(ba)材被破壞的(de)(de)(de)(de)主(zhu)要原因(yin)。

圖8為射(she)流沖(chong)(chong)擊(ji)力(li)隨液(ye)體(ti)(ti)(ti)(ti)表(biao)(biao)面張(zhang)力(li)的(de)(de)(de)(de)變化關(guan)系，從(cong)圖可以看出(chu)，隨著液(ye)體(ti)(ti)(ti)(ti)表(biao)(biao)面張(zhang)力(li)的(de)(de)(de)(de)增大(da)射(she)流沖(chong)(chong)擊(ji)力(li)也增大(da)；且液(ye)體(ti)(ti)(ti)(ti)張(zhang)力(li)越(yue)大(da)，靶(ba)材受到的(de)(de)(de)(de)射(she)流沖(chong)(chong)擊(ji)強度(du)(du)越(yue)大(da)，這(zhe)是因(yin)為液(ye)體(ti)(ti)(ti)(ti)表(biao)(biao)面張(zhang)力(li)加(jia)(jia)速(su)了空(kong)(kong)泡的(de)(de)(de)(de)收縮，縮短(duan)了空(kong)(kong)泡潰(kui)(kui)滅歷(li)時(shi)(shi)，增加(jia)(jia)了空(kong)(kong)泡潰(kui)(kui)滅速(su)度(du)(du)，所以空(kong)(kong)泡潰(kui)(kui)滅時(shi)(shi)表(biao)(biao)面張(zhang)力(li)所起的(de)(de)(de)(de)加(jia)(jia)速(su)作用也愈大(da)，其(qi)所產生的(de)(de)(de)(de)瞬時(shi)(shi)沖(chong)(chong)擊(ji)力(li)也愈大(da)。因(yin)射(she)流沖(chong)(chong)擊(ji)力(li)是造成靶(ba)材破壞的(de)(de)(de)(de)主要原因(yin)，所以張(zhang)力(li)較(jiao)大(da)的(de)(de)(de)(de)液(ye)體(ti)(ti)(ti)(ti)中空(kong)(kong)泡能產生較(jiao)大(da)的(de)(de)(de)(de)空(kong)(kong)蝕效(xiao)應。

圖8射流沖擊力與表面張力的(de)關系

4結論

實驗研(yan)(yan)究了液體(ti)表面(mian)(mian)張(zhang)力(li)對固(gu)壁近旁(pang)空(kong)(kong)泡生長和(he)潰滅(mie)過程的(de)影響(xiang)。通過研(yan)(yan)究液體(ti)表面(mian)(mian)張(zhang)力(li)對空(kong)(kong)泡最大(da)和(he)最小泡半徑的(de)影響(xiang)，得出(chu)表面(mian)(mian)張(zhang)力(li)減緩(huan)空(kong)(kong)泡膨脹過程的(de)結論(lun)；此外(wai)，通過分析不(bu)同張(zhang)力(li)液體(ti)中(zhong)靶材所受射(she)流(liu)沖(chong)擊(ji)力(li)的(de)大(da)小，得出(chu)表面(mian)(mian)張(zhang)力(li)增(zeng)加(jia)射(she)流(liu)沖(chong)擊(ji)強度，產(chan)生較大(da)的(de)空(kong)(kong)蝕(shi)效應的(de)結論(lun)。該(gai)研(yan)(yan)究成果不(bu)僅(jin)可(ke)以促進空(kong)(kong)化研(yan)(yan)究的(de)深入(ru)，從而(er)避免(mian)空(kong)(kong)泡可(ke)能帶來的(de)危害，同時也為合理利用(yong)空(kong)(kong)化現象提供參考。