空化是指液体中由于压力降低造成的蒸汽泡（空化泡）剧烈生长和溃灭的物理过程。液体含有颗粒时的空化现象常发生在超声清洗、空化碎石、含沙水中的流体机械高速运行等应用领域，其间瞬态产生的空化泡与水中的或壁面附着的颗粒间的相互作用甚为重要。此前国内外研究中，空化泡产生阶段与颗粒的相互影响常被忽略，相关研究较为缺乏。

2022年1月26日，国际顶级物理期刊《物理评论快报》（Physical Review Letters）刊登了清华大学能源与动力工程系刘树红、左志钢老师课题组博士生任子博等人关于空化泡与壁面上颗粒相互作用的研究成果，论文题目为《空化泡驱动的颗粒抛射》（Particulate Projectiles Driven by Cavitation Bubbles），并获得该期刊的“编辑推荐”（Editors’ Suggestion）。该研究通过实验，首次发现了固壁面附近的激光诱发空化泡可抛射重金属（如不锈钢、黄铜等）球形颗粒的现象。研究表明，通过改变颗粒和空化泡的相对尺寸、及相对位置，颗粒可被抛射到所需高度。

图1 物理评论快报网页截图

本研究中，利用脉冲激光器在水中的特定位置诱发了最大直径为3.0~6.0毫米的空化泡，其生长、溃灭的生命周期不足1毫秒。为此，通过采用每秒超过75000帧的高速摄像观察空化泡和颗粒的相互作用，捕捉到了颗粒离开壁面的行为发生在空化泡生长到最大尺寸之前（图2），意味着空化泡的剧烈生长对壁面上的颗粒产生了强烈的提升力。

图2 激光诱发空化泡抛射直径5.0 mm不锈钢颗粒的高速摄像照片（图中颗粒抛射高度可达11.5 mm）

为了探讨不锈钢球获得升力的来源，建立了空化泡-球形颗粒-刚性固壁面相互作用模型，探讨了颗粒受力物理过程。研究表明，颗粒获得的最大升力可为自身重量的100倍以上，最大上升高度可达近10倍的自身半径。此外，研究者们还揭示了空化泡抛射颗粒的两种不同主导机理（图3a），并分别给出了颗粒最大抛射高度的标度律（图3b）。

图3空化泡抛射颗粒的标度律

本研究发现了一种由空化泡去除固壁面附着颗粒的新机制，即，拥有柔软的气液界面的空化泡具有巨大能量，可抛射壁面上的不锈钢等重金属颗粒，并达到所需高度。这种激光辅助的非侵入式的颗粒操纵，可为无机械接触的样品采集、安全（免烧蚀组织）的碎石移除等应用提供参考。

Physical Review Letters杂志主编评价该工作“十分重要、有趣并且写作优秀(particularly important, interesting, and well written)”，推荐该论文为Editors’ Suggestion。录用稿件中只有1/7被选为“编辑推荐”。

该研究受到国家自然科学基金，清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室以及清华大学山西清洁能源研究院的资助。2018级直博生任子博为该论文第一作者，导师为刘树红教授，清华大学能动系左志钢副研究员、刘树红教授为通讯作者。

论文信息：

Ren, Zibo, Zhigang Zuo*, Shengji Wu, and Shuhong Liu*. 2022. Particulate Projectiles Driven by Cavitation Bubbles. Phys. Rev. Lett. 128 (4):044501. doi: 10.1103/PhysRevLett.128.044501.

论文链接：

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.128.044501

（供稿：左志钢，审核：李宇红）