不同粘度液体中空泡脉动特性的实验研究

采用光偏转测试系统对不同粘度液体中激光诱导的空泡脉动现象进行了实验研究,探测了不同粘度液体中空泡前3次脉动的全过程,分析了液体粘度变化对空泡动力学特性的影响.结果表明:液体粘度相同时,激光空泡的最大、最小泡半径和脉动周期均随脉动次数增加依次减小,且减小的幅度较大;液体粘度增加时,空泡的最大泡半径减小,而空泡的最小泡半径和生命周期则增加.     

表面张力对空泡脉动特性影响的实验研究

采用光偏转(OBD)测试系统对不同表面张力液体中激光空泡脉动特性进行了实验研究,探测了不同表面张力液体中空泡前2次脉动的全过程,分析了液体表面张力变化对空泡脉动特性的影响。结果表明:表面张力延缓了空泡的膨胀过程,加速了空泡的收缩,缩短了空泡脉动周期;表面张力越大,空泡对应的最大泡半径越小而收缩所能达到的最小泡半径亦越小;表面张力加强了空泡泡能的损失。     

含气量对粘性液体中空泡声波频谱特性的影响

通过压电陶瓷(PZT)水听器获取粘性液体中激光空泡脉动辐射的声波,结合分析液体粘性与空泡含气量对空泡最大半径以及脉动周期的影响,实验研究了含气量对粘性液体中空泡声波频谱特性的影响。分析结果表明,在入射激光能量不变的情况下,激光空泡第1次脉动过程中泡内的含气量随着液体粘度的增加而减少,空泡脉动辐射声波的峰值频率有向高频移动的趋势。     

表面张力对固壁旁空泡生长和溃灭行为的影响

采用两套光偏转测试装置对不同表面张力液体中激光空泡脉动及溃灭特性进行了实验研究,获得了液体表面张力改变对固壁近旁空泡生长和溃灭过程的影响.结果表明,表面张力延缓了空泡的膨胀过程,加速了空泡的溃灭;表面张力对空泡溃灭的影响要强于对膨胀的影响;液体张力越大,空泡脉动周期越短,且空泡对应的最大泡半径越小而收缩所能达到的最小泡半径亦越小.此外,液体张力越大,射流所产生的瞬时冲击力越大,即表面张力加强了液体射流对固壁的空蚀作用.研究结果可为水下激光加工、激光医疗、空化空蚀相关流体力学的研究提供一定的理论和实验支持.     

激光空泡脉动特性的实验和理论研究

采用自行研制的基于光偏转原理的高灵敏度光纤传感器研究了激光在水中铝靶表面产生的等离子体空泡及其脉动特性。通过实验获得了激光等离子体空泡在靶表面两次膨胀收缩的全过程；判定了空泡在两次脉动中对应的最大和最小泡半径。进而结合空泡溃灭理论，推算了激光空泡在各次脉动周期中含气量的变化。实验结果表明，激光空泡的含气量越小，空泡收缩越剧烈，气泡所能收缩的最小泡半径越小，其相应溃灭周期也越短。     

液体物质中的空化现象实验研究

采用自行研制的光偏转测试系统对强激光诱导液体物质的空化现象进行了实验研究。实验得到了激光等离子体冲击波传播规律和空泡的动力学特性。结果表明,激光等离子体冲击波在其传播过程中迅速衰减为声波;激光空泡的最大泡径随脉动次数增加依次减小,而收缩的最小泡径则由腔内含气量决定。     

固壁旁激光空泡生长和溃灭特性的实验研究

采用2套基于光偏转原理的光纤传感器(OBD),测量了激光空泡脉动全过程及空泡溃灭对靶材造成的破坏。通过实验获得了激光空泡在靶表面2次膨胀收缩的全过程,判定了空泡在2次脉动中对应的最大、最小泡半径和溃灭周期,并推算了空泡泡壁速度随时间的变化关系。实验发现,在脉冲激光作用下,水中靶材依次受到激光烧蚀压力和射流冲击力作用,且射流冲击力是造成靶材破坏的主要原因。     

固壁旁激光空泡生长和溃灭特性的实验研究

采用两套基于光偏转原理的光纤传感器测量了固壁旁激光空泡脉动全过程及空泡溃灭对靶材造成的破坏。通过实验获得了激光空泡在靶表面两次膨胀收缩的全过程,判定了空泡在两次脉动中对应的最大、最小泡半径和溃灭周期,并推算了空泡泡壁速度随时间的变化关系。此外,在脉冲激光作用下,水中靶材依次受到激光烧蚀压力和激光空泡在固体壁面附近溃灭时产生的射流冲击力的作用,且射流冲击力是造成靶材破坏的主要原因。     

环境压强对激光空泡声波特性影响的实验研究

环境压强是影响空泡脉动的一个重要因素.为了研究环境压强对激光空泡声波特性的影响,采用理想液体中单空泡运动的理论模型,对不同环境压强下液体中空泡运动过程进行了数值模拟,并通过充气泵精确调节高压水箱内的气压,采用高速照相机、高频测量水听器,得到了在不同压强条件下,空泡脉动特性的序列图像和声谱图,根据实验数据研究了不同环境压强下液体中激光诱导产生的空泡脉动规律与声波特性.结果表明:环境压强的改变影响了空泡生存周期和脉动的剧烈程度,但对声波的强度和声谱分布没有影响.辐射的频率集中在0~50 kHz 范围内,所辐射的声波能量主要集中在0~20 kHz 频段范围,并在2 kHz 与8 kHz 有两个明显的频率峰值.     

不同环境压强下激光空泡特性研究

构建了激光空泡测量实验平台,使用脉冲激光聚焦击穿水介质产生激光空泡,由水听器对激光空泡溃灭辐射声信号进行接收,利用充气泵对高压水箱内的气压进行精确控制。通过仿真计算和实验对不同环境压强下的激光空泡特征和其溃灭时辐射声信号的峰值变化特性进行了研究。结果表明:当环境压强处在0.1~0.7 MPa 范围内变化时,随着环境压强的增大,激光空泡首次脉动周期和空泡最大半径逐渐减小,两者的变化速率逐渐减小。空泡溃灭时辐射声信号的峰值声压在0.1~0.4 MPa内逐渐增大,在0.4~0.7MPa 内逐渐减小,且增大速率大于减小速率。     

Experimental study of temperature effect on the growth and collapse of cavitation bubbles near a rigid boundary

The effect of temperature on the dynamics of a laser-induced cavitation bubble is studied experimentally. The growth and collapse of the cavitation bubble are measured by two sensitive fiber-optic sensors based on optical beam deflection (OBD). Cavitation bubble tests are performed in water at different temperatures, and the temperature ranges from freezing point (0 °C) to near boiling point. The results indicate that both the maximum bubble radius and bubble lifetime are increased with the increase of temperature. During the stage of bubble rapidly collapsing in the vicinity of a solid surface, besides laser ablation effect, both the first and second liquid-jet-induced impulses are also observed. They are both increased with liquid temperature increasing, and then reach a peak, followed by a decrease. The peak appears at the temperature which is approximately the average of freezing and boiling points. The mechanism of liquid temperature influence on cavitation erosion is also discussed.     

固壁面附近空泡溃灭研究

采用自行研制的基于光偏转原理的力学传感器及压电陶瓷探针式水听器PZT,对激光诱导的空泡在固壁面附近溃灭进行了实验研究。结果表明,在脉冲激光作用下,空泡溃灭将依次产生射流和声脉冲,且射流产生时刻早于空泡溃灭时刻;空泡渍灭过程中泡能转换为声能的比例随脉动次数增加而增大;比较实验所得的声脉冲信号和射流信号,得到了声脉冲是空泡第二次溃灭过程中主要衰减方式的结论。     

水中气泡界面的光强研究

通过菲涅耳公式,对气泡内外界面的光强进行了计算,得出气泡界面第2次反射光强I′2s和I′2p(内表面)、折射光强I2s和I2p(外表面)的一般规律,及不同偏振态的光线在界面第n次反射和折射后的光强与第2次光强的关系。理论和实验均表明,光在气泡界面连续反射4次后基本消失。最后通过激光和CCD相机抓拍到水中气泡的图像,能明显获得出射光线轨迹,实验测量出射光强的值与理论计算值相吻合。     

基于蒙特卡罗的气泡后向散射信号的视场分析

为了研究气泡后向散射信号强度与气泡位置及接收发射视场之间的关系,采用蒙特卡罗方法对存在水槽边界条件下的水中气泡幕后向光散射回波信号进行了系统仿真,并结合实际的水槽实验,对不同气泡幕位置及接收发射轴夹角情况下的后向散射信号进行了理论分析和实验验证,取得了相应的气泡幕后向散射信号强度的实验与仿真数据。结果表明,对不同的接收发射轴夹角,存在一个回波峰值,且该峰值对应的接收发射轴线的夹角与气泡幕位置存在一一对应的关系,这一结果对实际海况下的舰船尾流气泡后向散射光探测试验是有帮助的。     

Under‐Water Superaerophobic Pine‐Shaped Pt Nanoarray Electrode for Ultrahigh‐Performance Hydrogen Evolution

A pine‐shaped Pt nanostructured electrode with under‐water superaerophobicity for ultrahigh and steady hydrogen evolution reaction (HER) performance is successfully fabricated by a facile and easily scalable electrodeposition technique. Due to the lower bubble adhesive force (11.5 ± 1.2 μN), the higher bubble contact angle (161.3° ± 3.4°) in aqueous solution, and the smaller size of bubbles release for pine‐shaped Pt nanostructured electrode, the incomparable under‐water superaerophobicity for final repellence of bubbles from submerged surface with ease, is successfully achieved, compared to that for nanosphere electrode and for Pt flat electrode. With the merits of superior under‐water superaerophobicity and excellent nanoarray morphology, pine‐shaped Pt nanostructured electrode with the ultrahigh electrocatalytic HER performance, excellent durability, no obvious current fluctuation, and dramatically fast current density increase at overpotential range (3.85 mA mV^?1, 2.55 and 13.75 times higher than that for nanosphere electrode and for Pt flat electrode, respectively), is obtained, much superior to Pt nanosphere and flat electrodes. The successful introduction of under‐water superaerophobicity to in‐time repel as‐formed H₂ bubbles may open up a new pathway for designing more efficient electrocatalysts with potentially practical utilization in the near future.     

尾流气泡激光散射的测量

采用收发分置的光学结构实现了尾流气泡对532 nm激光在散射角5°～175°内的散射测量,同时测量了水的激光散射。散射角度的改变是通过发射系统不动而转动接收系统来实现的。解决了散射信号大动态范围的压缩问题,讨论了接收视场内散射体积随散射角的变化。分析了气泡散射的信号特征,并提出了气泡散射信号的功率谱密度处理法。将实验结果与米氏理论结果进行了对比,发现尾流气泡的激光散射强度及其随散射角的变化趋势与米氏理论结果吻合得很好,与水的散射相差近一个数量级。研究结果表明利用激光可以将气泡和水的散射区别开,即利用激光探测尾流气泡的存在具有可行性。