國際頂刊發文！哈爾濱工程大學張阿漫教授團隊提出"液體子彈"模型助力水下工程技術升級！

近日，哈爾濱工程大學船舶工程學院張阿漫教授團隊在流體力學領域頂級期刊《Journal of Fluid Mechanics》發表最新研究成果，團隊通過實驗、數值模擬與理論分析相結合的方法，系統揭示了雙氣泡耦合作用下三種穿透射流的形成機制與加速規律，成功獲得速度超過1200 m/s的超音速射流，并建立了射流速度與穿透距離的相圖控制體系，為水下瞬態沖擊動力學相關應用提供了一套精準可控的流體動力學方案。本文第一作者為學院博士生顏帥，通訊作者為學院李帥與張阿漫教授。

空泡射流研究

兼具工程價值與現實挑戰

空化空泡潰滅時產生的沖擊波與高速射流具有典型的雙重效應：它是造成水泵、螺旋槳等水力機械表面侵蝕破壞的主要誘因，同時也是超聲清洗、水下加工等領域的核心物理基礎。傳統單氣泡在剛性邊界附近雖可產生最高達1000 m/s的射流，但形成條件極為苛刻，對邊界環境要求高，難以在實際工程中推廣應用。

雙氣泡系統通過調控兩個氣泡的初始間距與起爆時間差，可產生方向性更好、穿透力更強的液體射流，工程適應性顯著優于單氣泡系統。但此前雙氣泡射流的加速機制、穿透能力等關鍵科學問題尚未得到系統闡明，極大制約了其在水下沖擊防護、能量定向輸運等領域的應用落地。

三類射流形態系統揭示

超音速射流實現技術突破

研究團隊采用水下放電方法生成可控雙氣泡，首次完整觀測到雙泡耦合作用下形成的三種特征穿透射流形：

圖1. 雙空泡耦合作用下形成的三種穿透射流形態：(a)錐形射流；(b)傘狀射流；(c)噴霧射流。

錐形射流

先生成的氣泡潰滅產生的壓力波，加速后生成氣泡的伸長尖端，形成錐狀射流。這類射流形成初期依賴尖端的高曲率特性，后續演化主要由壓力波主導，速度范圍約10-30 m/s，生成條件較為寬松。

傘狀射流

若在先生成氣泡完全潰滅前，后生成氣泡的伸長尖端已發生曲率驅動的自回縮，則形成傘狀射流。其獨特的傘狀形態源于射流基部壓力持續升高，導致上游流體速度超過射流尖端，液體堆積外翻形成特殊結構，速度介于錐形射流與噴霧射流之間。

噴霧射流

后生成氣泡的伸長尖端深入先生成氣泡內部，在先生成氣泡收縮與坍塌的強烈作用下被夾斷。頸部斷裂過程產生極強的流動聚焦效應，形成極高的壓力駐點，驅動射流突破音速，泡內速度最高可達1200 m/s。盡管射流尖端因失穩會破碎成細小霧滴，但其后續連續射流仍保持極高速度和精準指向性，穿透距離最高可達10倍氣泡最大半徑，是三類射流中穿透能力最強的類型。

提出"液體子彈"模型

穿透能力實現快速評估

圖2. 最大穿透距離Smax隨射流速度Uwater的變化關系。其中，Uwater為射流進入水時的速度，Smax為射流尖端空腔潰滅時射流在水中的行進距離。

針對射流穿出氣泡后的水中運動過程，團隊提出了"液體子彈"理論模型：射流作為連續液體團在水中運動時，前端受動壓主導的阻力作用，速度衰減遵循特定的指數規律，穿透距離可通過解析公式精確計算。

研究發現，絕大多數射流尖端約在無量綱時間t≈1時失去動能并消散，由此推導得到射流最大穿透距離與射流入水速度的定量關系。該公式為射流穿透能力的快速評估提供了簡潔有效的理論依據，三類射流的數百組實驗數據均與模型預測高度吻合，驗證了模型的普適性與可靠性。

雙參數調控相圖發布

射流性能實現精準定制

圖3. 射流速度Uwater (a)與最大穿透距離Smax (b)隨γ和θ變化的相圖，背景顏色基于實驗數據插值得到。虛線表示不同射流形態之間的擬合邊界：黑色虛線分隔錐形射流與傘狀射流，藍色虛線則區分傘狀射流與噴霧射流。

基于近300組系統實驗數據，團隊繪制了射流形態、速度與穿透距離在初始間距、起爆時間差雙參數空間的高分辨率調控相圖，實現了射流性能的定量可控：

錐形射流分布于大間距、大時間差的弱耦合區域，適用于對速度要求不高、需要穩定生成的應用場景；

噴霧射流集中于小間距、中等時間差的強耦合區域，是獲得超音速、高穿透能力射流的核心參數區間；

傘狀射流位于兩者之間的狹窄過渡帶，可實現中等速度射流的穩定輸出。

應用前景廣闊

助力水下工程技術升級

本研究突破了傳統單氣泡射流條件苛刻、控制難度大的技術瓶頸，在三個層面實現了重要創新：在機制層面，首次闡明曲率驅動與壓力波驅動的協同作用，揭示頸部斷裂誘導超音速加速的力學機制，使最大射流速度突破1200 m/s；在理論層面，提出的"液體子彈"模型普適性強，為射流性能快速評估提供了高效工具；在應用層面，繪制的高分辨率調控相圖，實現了射流形態、速度與穿透距離的精準定制。

研究成果為水下沖擊防護、深海切割與清洗、水下爆炸能量調控、海洋資源勘探等領域的工程應用提供了全新的技術方案與理論基礎，有望推動水下瞬態能量利用技術的跨越式發展。

• 信息來源:哈爾濱工程大學科學技術研究院。

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