2.2實(shí)驗(yàn)用液體

由于本文研究液體張力變化對(duì)固壁面近旁空泡生長(zhǎng)和潰滅過(guò)程的影響，因此所用液體的粘滯系數(shù)μ及密度ρ應(yīng)大體相近，在空氣中的表面張力應(yīng)有較大差異。實(shí)驗(yàn)采用5種液體，其表面張力如表1所示。

表1實(shí)驗(yàn)液體的表面張力

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1空泡的脈動(dòng)過(guò)程

圖3給出了探測(cè)光經(jīng)過(guò)脈動(dòng)空泡的示意圖，圖中空泡脈動(dòng)特性曲線是基于空泡半徑隨時(shí)間變化的數(shù)值模擬得到的。圖4即為由探測(cè)裝置圖2（a）獲得的對(duì)應(yīng)的典型光偏轉(zhuǎn)信號(hào)波形圖，它包含了激光作用于水中靶材時(shí)的三種物理現(xiàn)象和過(guò)程，即激光等離子體沖擊波、等離子體空泡及其反彈現(xiàn)象、空泡潰滅沖擊波。圖中峰a為激光等離子體沖擊波；c為等離子體空泡信號(hào)；e為空泡反彈信號(hào)；f為空泡收縮到最小泡體積時(shí)輻射的沖擊波信號(hào)；b為空泡膨脹壁；d為空泡收縮壁。

圖3探測(cè)光經(jīng)過(guò)脈動(dòng)空泡的示意圖

實(shí)驗(yàn)中激光單脈沖能量為32.6mJ,探測(cè)距離從0mm變化到3.56mm.通過(guò)跟蹤不同探測(cè)距離對(duì)應(yīng)的空泡壁（膨脹壁和收縮壁）到達(dá)的時(shí)間，可以得到泡壁的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，即R＝R（t），如圖5所示。

從圖5可以看出，表面張力減緩了空泡的膨脹過(guò)程。在初期，空泡膨脹變緩的現(xiàn)象不甚明顯，愈到后期越明顯。液體張力越大，空泡對(duì)應(yīng)的最大泡半徑越小；表面張力加速了空泡的收縮。表面張力越大，空泡收縮所能達(dá)到的最小泡半徑越小，且表面張力縮短了空泡脈動(dòng)周期。從圖5還可以看出表面張力對(duì)空泡潰滅的影響要強(qiáng)于對(duì)膨脹的影響。此外，激光泡半徑隨表面張力變化與液體的表面張力數(shù)值并不為線性關(guān)系，其關(guān)系有待研究。

圖4實(shí)驗(yàn)獲得的典型的光偏轉(zhuǎn)波形

圖5激光泡半徑隨時(shí)間的變化關(guān)系

由于表面張力總是起減小空泡體積的作用，因此對(duì)于一個(gè)凸形空泡來(lái)說(shuō)，表面張力對(duì)空泡壁各處施加一個(gè)向內(nèi)的壓力，其作用與壓差ΔP（ΔP=2σ/R）的作用相類似。空泡半徑一定時(shí)，表面張力σ越大，附加壓強(qiáng)ΔP越大，對(duì)空泡的緊縮作用越明顯，從而對(duì)空泡的運(yùn)動(dòng)影響越大。對(duì)于初始是球形的固壁近旁的空泡，在生長(zhǎng)的時(shí)候，表面張力能使空泡的生長(zhǎng)變成一個(gè)穩(wěn)定的過(guò)程，并盡量保持空泡的球形。在潰滅的時(shí)候，表面張力會(huì)加速空泡的潰滅，使空泡的潰滅過(guò)程不穩(wěn)定，使其產(chǎn)生較大的瞬時(shí)沖擊力。

3.2空泡的潰滅過(guò)程

若空泡在固壁面附近潰滅，泡表面的壓力梯度會(huì)形成指向靶材的高速液體射流。圖6為由探測(cè)裝置圖2（b）獲得的對(duì)應(yīng)單脈沖能量為34mJ時(shí)，銅片在激光作用全過(guò)程中所受的典型力學(xué)信號(hào)。圖中可以明顯看到兩個(gè)峰的存在，峰a為激光等離子體產(chǎn)生的燒蝕壓力脈沖信號(hào)，峰b為射流沖擊力信號(hào)。從圖6可以看出，該激光能量作用下，射流沖擊力的強(qiáng)度遠(yuǎn)大于等離子體燒蝕力。

圖6靶材在水中所受的典型力學(xué)信號(hào)

圖7力學(xué)信號(hào)與入射激光能量的關(guān)系

圖7給出了水中力學(xué)信號(hào)隨入射激光能量變化的關(guān)系，其中等離子體燒蝕力和射流沖擊力分別為a和b.由圖可見，隨著激光作用能量的增加，等離子體燒蝕力及射流沖擊力的幅值均呈單調(diào)上升趨勢(shì)。這是因?yàn)槿肷浼す饽芰吭酱螅す馀菟芰肯鄳?yīng)變大，空泡潰滅時(shí)所產(chǎn)生的射流速度和射流沖擊力也相應(yīng)變大。但射流沖擊力b強(qiáng)于等離子體燒蝕力a的關(guān)系沒有改變，這說(shuō)明射流沖擊力是造成靶材被破壞的主要原因。

圖8為射流沖擊力隨液體表面張力的變化關(guān)系，從圖可以看出，隨著液體表面張力的增大射流沖擊力也增大；且液體張力越大，靶材受到的射流沖擊強(qiáng)度越大，這是因?yàn)橐后w表面張力加速了空泡的收縮，縮短了空泡潰滅歷時(shí)，增加了空泡潰滅速度，所以空泡潰滅時(shí)表面張力所起的加速作用也愈大，其所產(chǎn)生的瞬時(shí)沖擊力也愈大。因射流沖擊力是造成靶材破壞的主要原因，所以張力較大的液體中空泡能產(chǎn)生較大的空蝕效應(yīng)。

圖8射流沖擊力與表面張力的關(guān)系

4結(jié)論

實(shí)驗(yàn)研究了液體表面張力對(duì)固壁近旁空泡生長(zhǎng)和潰滅過(guò)程的影響。通過(guò)研究液體表面張力對(duì)空泡最大和最小泡半徑的影響，得出表面張力減緩空泡膨脹過(guò)程的結(jié)論；此外，通過(guò)分析不同張力液體中靶材所受射流沖擊力的大小，得出表面張力增加射流沖擊強(qiáng)度，產(chǎn)生較大的空蝕效應(yīng)的結(jié)論。該研究成果不僅可以促進(jìn)空化研究的深入，從而避免空泡可能帶來(lái)的危害，同時(shí)也為合理利用空化現(xiàn)象提供參考。