2.2實(shí)驗(yàn)用液體

由于本文研究液體張力變化對固壁面近旁空泡生長和潰滅過程的影響，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空泡的脈動過程

圖3給出了探測光經(jīng)過脈動空泡的示意圖，圖中空泡脈動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即為由探測裝置圖2（a）獲得的對應(yīng)的典型光偏轉(zhuǎn)信號波形圖，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；e為空泡反彈信號；f為空泡收縮到最小泡體積時(shí)輻射的沖擊波信號；b為空泡膨脹壁；d為空泡收縮壁。

圖3探測光經(jīng)過脈動空泡的示意圖

實(shí)驗(yàn)中激光單脈沖能量為32.6mJ,探測距離從0mm變化到3.56mm.通過跟蹤不同探測距離對應(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周期。從圖5還可以看出表面張力對空泡潰滅的影響要強(qiáng)于對膨脹的影響。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，因此對于一個(gè)凸形空泡來說，表面張力對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，對空泡的緊縮作用越明顯，從而對空泡的運(yùn)動影響越大。對于初始是球形的固壁近旁的空泡，在生長的時(shí)候，表面張力能使空泡的生長變成一個(gè)穩(wěn)定的過程，并盡量保持空泡的球形。在潰滅的時(shí)候，表面張力會加速空泡的潰滅，使空泡的潰滅過程不穩(wěn)定，使其產(chǎn)生較大的瞬時(shí)沖擊力。

3.2空泡的潰滅過程

若空泡在固壁面附近潰滅，泡表面的壓力梯度會形成指向靶材的高速液體射流。圖6為由探測裝置圖2（b）獲得的對應(yīng)單脈沖能量為34mJ時(shí)，銅片在激光作用全過程中所受的典型力學(xué)信號。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，峰b為射流沖擊力信號。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

圖7力學(xué)信號與入射激光能量的關(guān)系

圖7給出了水中力學(xué)信號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。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固壁近旁空泡生長和潰滅過程的影響。通過研究液體表面張力對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程的結(jié)論；此外，通過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的危害，同時(shí)也為合理利用空化現(xiàn)象提供參考。