研究空泡空化现象,一方面可以从根本上有效解决空化空蚀损伤的关键科学问题,在水力机械、航空航天等领域用于提高材料的抗空蚀性应用具有重要的意义;另一方面可以将空化冲击力转化为加工力,应用在生物医疗、空化清洗及材料表面结构微制造等领域。空化机理复杂,主要通过描述空泡的初生、脉动及溃灭微射流等瞬态特性过程,研究空泡演化规律,探索空泡多相耦合影响规律,揭示空化机理及对材料性能的影响,涉及光学、力学、材料学等多学科内容。激光诱导空泡是指激光击穿液体介质,在液体内部发生微爆炸,形成等离子体空泡的现象,采用激光诱导空泡研究空化现象,具有球对称性好、定位准确和可控性强等优势。本文研究复杂工况条件下激光诱导空化机理,分别从微颗粒工况和微结构工况两方面入手,揭示空泡多种特性的影响规律。仿真分析颗粒的光场增强效应分布,检测微颗粒溶液中的空泡瞬态特性,计算近壁面空泡溃灭的射流速度,发现微颗粒引起的空化增益现象;实验研究壁面形状对空泡瞬态特性影响,发现空泡的不对称脉动及空泡移位现象。具体的研究内容如下:(1)以空泡动力学理论为基础,分析激光击穿液体机制;建立液体内空泡脉动过程中周围颗粒的运动模型;推导近壁面空泡溃灭的微射流和冲击波方程,为后续的研究奠定理论基础。(2)分析液体中微颗粒周围的场增强现象,发现增强场的大小和位置分布与微颗粒的粒径、间距和空间分布有关。对比蒸馏水和微颗粒溶液中激光空泡的瞬态特性,发现在相同的激光参数作用下,蒸馏水中生成单空泡,而微颗粒溶液中产生多空泡,优势空泡的半径和第一次脉动周期随着颗粒浓度的变化而变化,且近壁面优势空泡在有微颗粒的条件下溃灭时对壁面产生的射流速度更大,微颗粒的场增强效应是导致空化增益的一个重要因素。(3)研究壁面结构对激光诱导空泡的瞬态特性影响规律,发现固体壁面附近空泡溃灭时的位移现象,且空泡在脉动过程中开始发生形变,空泡的溃灭时间与壁面结构有关,封闭区域越大,空泡的自由空间越小,溃灭时间也越长。阶梯型结构中单空泡会被该结构“切割”成双空泡,双空泡的大小比例与斜面高度有关。(4)分析激光空化空蚀作用后的靶材表面形貌,发现在空泡的运动位置附近存在扇形的空蚀区域。扇形空蚀区域的半径随着激光能量的增大而增大,最大半径与空泡在斜面上的运动距离基本保持一致。