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本帖最后由 工程大学 于 2026-4-1 09:31 编辑
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张阿漫教授科研团队提出“液体子弹”模型 " U5 Y. S0 B* T
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近日，哈尔滨工程大学船舶工程学院张阿漫教授团队在流体力学领域顶级期刊《Journal of Fluid Mechanics》发表最新研究成果，团队通过实验、数值模拟与理论分析相结合的方法，系统揭示了双气泡耦合作用下三种穿透射流的形成机制与加速规律，成功获得速度超过1200 m/s的超音速射流，并建立了射流速度与穿透距离的相图控制体系，为水下瞬态冲击动力学相关应用提供了一套精准可控的流体动力学方案。本文第一作者为学院博士生颜帅，通讯作者为学院李帅与张阿漫教授。
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; c4 q4 {" M N4 Z1 S空泡射流研究 兼具工程价值与现实挑战
1 U' D; ^0 v7 }- d, _空化空泡溃灭时产生的冲击波与高速射流具有典型的双重效应：它是造成水泵、螺旋桨等水力机械表面侵蚀破坏的主要诱因，同时也是超声清洗、水下加工等领域的核心物理基础。传统单气泡在刚性边界附近虽可产生最高达1000 m/s的射流，但形成条件极为苛刻，对边界环境要求高，难以在实际工程中推广应用。
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双气泡系统通过调控两个气泡的初始间距与起爆时间差，可产生方向性更好、穿透力更强的液体射流，工程适应性显著优于单气泡系统。但此前双气泡射流的加速机制、穿透能力等关键科学问题尚未得到系统阐明，极大制约了其在水下冲击防护、能量定向输运等领域的应用落地。! ~6 {! T$ P5 K& {4 j' y" I
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三类射流形态系统 揭示超音速射流实现技术突破 4 E7 B [+ ?% c; W" w3 ~
研究团队采用水下放电方法生成可控双气泡，首次完整观测到双泡耦合作用下形成的三种特征穿透射流形：) X" d! F- \& A
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& G: l8 n: @% x. j- x+ g图1. 双空泡耦合作用下形成的三种穿透射流形态：(a)锥形射流；(b)伞状射流；(c)喷雾射流。
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锥形射流
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' p) C& K9 ~' B. ^ c7 P6 ]/ w先生成的气泡溃灭产生的压力波，加速后生成气泡的伸长尖端，形成锥状射流。这类射流形成初期依赖尖端的高曲率特性，后续演化主要由压力波主导，速度范围约10-30 m/s，生成条件较为宽松。
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7 N' R. T2 s% U/ o8 u- h) E伞状射流
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* r7 A# H8 y1 @4 l: X" K( s3 N若在先生成气泡完全溃灭前，后生成气泡的伸长尖端已发生曲率驱动的自回缩，则形成伞状射流。其独特的伞状形态源于射流基部压力持续升高，导致上游流体速度超过射流尖端，液体堆积外翻形成特殊结构，速度介于锥形射流与喷雾射流之间。: J' ]* c4 g/ l \
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`' V5 P7 ~ y) P/ ?7 u# B$ j; v7 x后生成气泡的伸长尖端深入先生成气泡内部，在先生成气泡收缩与坍塌的强烈作用下被夹断。颈部断裂过程产生极强的流动聚焦效应，形成极高的压力驻点，驱动射流突破音速，泡内速度最高可达1200 m/s。尽管射流尖端因失稳会破碎成细小雾滴，但其后续连续射流仍保持极高速度和精准指向性，穿透距离最高可达10倍气泡最大半径，是三类射流中穿透能力最强的类型。/ }0 \1 [8 R7 e5 b @6 Q
' L7 l3 k0 D+ m$ l! B4 u9 K# @4 l i. R提出"液体子弹"模型 穿透能力实现快速评估 9 i3 F1 l/ I/ v; p* A) {- J/ I' W- z
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图2. 最大穿透距离Smax随射流速度Uwater的变化关系。其中，Uwater为射流进入水时的速度，Smax为射流尖端空腔溃灭时射流在水中的行进距离。
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针对射流穿出气泡后的水中运动过程，团队提出了"液体子弹"理论模型：射流作为连续液体团在水中运动时，前端受动压主导的阻力作用，速度衰减遵循特定的指数规律，穿透距离可通过解析公式精确计算。: O7 J0 c4 I0 Q3 X# y. ]
) A9 P2 g4 |" `) M' ~研究发现，绝大多数射流尖端约在无量纲时间t≈1时失去动能并消散，由此推导得到射流最大穿透距离与射流入水速度的定量关系。该公式为射流穿透能力的快速评估提供了简洁有效的理论依据，三类射流的数百组实验数据均与模型预测高度吻合，验证了模型的普适性与可靠性。
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! z4 }# U# M+ K* N8 y双参数调控相图发布 射流性能实现精准定制 7 |) e7 e% Y4 r5 |( ~
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图3. 射流速度Uwater (a)与最大穿透距离Smax (b)随γ和θ变化的相图，背景颜色基于实验数据插值得到。虚线表示不同射流形态之间的拟合边界：黑色虚线分隔锥形射流与伞状射流，蓝色虚线则区分伞状射流与喷雾射流。& q5 K# C8 a0 f7 c
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基于近300组系统实验数据，团队绘制了射流形态、速度与穿透距离在初始间距、起爆时间差双参数空间的高分辨率调控相图，实现了射流性能的定量可控：3 Y D! D; v1 k7 ~. G& n* l& H3 L
$ k c, ^! Z$ b) [锥形射流分布于大间距、大时间差的弱耦合区域，适用于对速度要求不高、需要稳定生成的应用场景；
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" g9 V. F1 w: T+ }喷雾射流集中于小间距、中等时间差的强耦合区域，是获得超音速、高穿透能力射流的核心参数区间；
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5 F4 O7 F# ~5 G- u) n伞状射流位于两者之间的狭窄过渡带，可实现中等速度射流的稳定输出。
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( \6 P) ~$ a; [' G" @: ^应用前景广阔 助力水下工程技术升级
& ^2 y' u$ f! s: U: V% |本研究突破了传统单气泡射流条件苛刻、控制难度大的技术瓶颈，在三个层面实现了重要创新：在机制层面，首次阐明曲率驱动与压力波驱动的协同作用，揭示颈部断裂诱导超音速加速的力学机制，使最大射流速度突破1200 m/s；在理论层面，提出的"液体子弹"模型普适性强，为射流性能快速评估提供了高效工具；在应用层面，绘制的高分辨率调控相图，实现了射流形态、速度与穿透距离的精准定制。
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+ V: ] a% i' Y- u; g研究成果为水下冲击防护、深海切割与清洗、水下爆炸能量调控、海洋资源勘探等领域的工程应用提供了全新的技术方案与理论基础，有望推动水下瞬态能量利用技术的跨越式发展。- c; q1 Z- m2 k
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来源：哈尔滨工程大学 |
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发表于 2026-4-1 09:29:49
