2.2实验用液体

由于本文研究液体张力变化对固壁面近旁空泡生长和溃灭过程的影响，因此所用液体的粘滞系数μ及密度ρ应大体相近，在空气中的表面张力应有较大差异。实验采用5种液体，其表面张力如表1所示。

表1实验液体的表面张力

3实验结果与讨论

3.1空泡的脉动过程

图3给出了探测光经过脉动空泡的示意图，图中空泡脉动特性曲线是基于空泡半径随时间变化的数值模拟得到的。图4即为由探测装置图2（a）获得的对应的典型光偏转信号波形图，它包含了激光作用于水中靶材时的三种物理现象和过程，即激光等离子体冲击波、等离子体空泡及其反弹现象、空泡溃灭冲击波。图中峰a为激光等离子体冲击波；c为等离子体空泡信号；e为空泡反弹信号；f为空泡收缩到最小泡体积时辐射的冲击波信号；b为空泡膨胀壁；d为空泡收缩壁。

图3探测光经过脉动空泡的示意图

实验中激光单脉冲能量为32.6mJ,探测距离从0mm变化到3.56mm.通过跟踪不同探测距离对应的空泡壁（膨胀壁和收缩壁）到达的时间，可以得到泡壁的运动规律，即R＝R（t），如图5所示。

从图5可以看出，表面张力减缓了空泡的膨胀过程。在初期，空泡膨胀变缓的现象不甚明显，愈到后期越明显。液体张力越大，空泡对应的最大泡半径越小；表面张力加速了空泡的收缩。表面张力越大，空泡收缩所能达到的最小泡半径越小，且表面张力缩短了空泡脉动周期。从图5还可以看出表面张力对空泡溃灭的影响要强于对膨胀的影响。此外，激光泡半径随表面张力变化与液体的表面张力数值并不为线性关系，其关系有待研究。

图4实验获得的典型的光偏转波形

图5激光泡半径随时间的变化关系

由于表面张力总是起减小空泡体积的作用，因此对于一个凸形空泡来说，表面张力对空泡壁各处施加一个向内的压力，其作用与压差ΔP（ΔP=2σ/R）的作用相类似。空泡半径一定时，表面张力σ越大，附加压强ΔP越大，对空泡的紧缩作用越明显，从而对空泡的运动影响越大。对于初始是球形的固壁近旁的空泡，在生长的时候，表面张力能使空泡的生长变成一个稳定的过程，并尽量保持空泡的球形。在溃灭的时候，表面张力会加速空泡的溃灭，使空泡的溃灭过程不稳定，使其产生较大的瞬时冲击力。

3.2空泡的溃灭过程

若空泡在固壁面附近溃灭，泡表面的压力梯度会形成指向靶材的高速液体射流。图6为由探测装置图2（b）获得的对应单脉冲能量为34mJ时，铜片在激光作用全过程中所受的典型力学信号。图中可以明显看到两个峰的存在，峰a为激光等离子体产生的烧蚀压力脉冲信号，峰b为射流冲击力信号。从图6可以看出，该激光能量作用下，射流冲击力的强度远大于等离子体烧蚀力。

图6靶材在水中所受的典型力学信号

图7力学信号与入射激光能量的关系

图7给出了水中力学信号随入射激光能量变化的关系，其中等离子体烧蚀力和射流冲击力分别为a和b.由图可见，随着激光作用能量的增加，等离子体烧蚀力及射流冲击力的幅值均呈单调上升趋势。这是因为入射激光能量越大，激光泡所含能量相应变大，空泡溃灭时所产生的射流速度和射流冲击力也相应变大。但射流冲击力b强于等离子体烧蚀力a的关系没有改变，这说明射流冲击力是造成靶材被破坏的主要原因。

图8为射流冲击力随液体表面张力的变化关系，从图可以看出，随着液体表面张力的增大射流冲击力也增大；且液体张力越大，靶材受到的射流冲击强度越大，这是因为液体表面张力加速了空泡的收缩，缩短了空泡溃灭历时，增加了空泡溃灭速度，所以空泡溃灭时表面张力所起的加速作用也愈大，其所产生的瞬时冲击力也愈大。因射流冲击力是造成靶材破坏的主要原因，所以张力较大的液体中空泡能产生较大的空蚀效应。

图8射流冲击力与表面张力的关系

4结论

实验研究了液体表面张力对固壁近旁空泡生长和溃灭过程的影响。通过研究液体表面张力对空泡最大和最小泡半径的影响，得出表面张力减缓空泡膨胀过程的结论；此外，通过分析不同张力液体中靶材所受射流冲击力的大小，得出表面张力增加射流冲击强度，产生较大的空蚀效应的结论。该研究成果不仅可以促进空化研究的深入，从而避免空泡可能带来的危害，同时也为合理利用空化现象提供参考。