【科普花园】上能威胁火箭，下能五洋捉鱼：空泡，你还有多少秘密？
谈起空泡，我们可能会回想起幼时吹的彩色泡泡，在空气中漂浮，最后破碎。这样美好的现象并不能让人联想到“杀伤力”、“致命”等恐怖的词汇。不过，今天我们要谈论的空泡，就是一种致命武器，上能威胁火箭，下能五洋捉鱼。
图片1 吹泡泡（https://www.veer.com/photo/145380889#%E5%90%B9%E6%B3%A1%E6%B3%A1 ）
日本H-2型号火箭在发射过程中，由于发动机提供的推力不足，导致火箭在空中解体。经调查主要原因是非稳态空泡引起了轴流泵诱导轮的振动破坏，导致发动机推进系统效率大大降低。
海洋中的一些虾类体积小巧，看似“人畜无害”，实则非常凶猛。以手枪虾和雀尾螳螂虾为典型，它们把空泡作为绝妙的武器。
手枪虾体长一般只有5cm，但是有一大一小一对螯，在猎食时会将巨螯迅速合上，可以喷出超过30m/s的高速射流。射流诱导的空泡能够产生冲击波，足以击晕或杀死虾钳前方的小鱼小蟹。
雀尾螳螂虾在美丽的外表下，有一个“暴力的心”，当利用巨大的锤肢敲打如螃蟹等猎物时，可以轻易地击碎蟹壳。因为锤肢撞击在蟹壳表面产生低压区，生成空化现象，空泡溃灭产生溃灭高压，从而引起了蟹壳破坏。
图2 日本H-2火箭发射失败（https://v.youku.com/v_show/id_XMzc0NjA2NTE5Ng==.html）
图3 手枪虾依靠高速射流空泡捕食（ https://v.youku.com/v_show/id_XMzAwNzI1NjE4OA==.html?spm=a2h0c.8166622.PhoneSokuUgc_5.dtitle）
图4 雀尾螳螂虾敲打贝壳产生的空化现象 （https://v.youku.com/v_show/id_XMzEzODQ4NTcxMg==.html?spm=a2h0c.8166622.PhoneSokuUgc_1.dtitle）
空泡有这么大杀伤力，那么它的形成机制到底是什么呢？
一、空泡是怎么形成的？
想要弄懂空泡的形成机制，首先要明白空化的原理。
空化与液体沸腾类似，都是由液态到气态的相变现象。例如水，在标准大气压下，温度升高到100摄氏度以上就会发生沸腾。而空化是当液体局部压力快速降低到饱和蒸气压以下发生的相变现象。也可以理解成，在降低到饱和蒸气压以下后，液体中小气核体积不断膨胀，形成肉眼可见的空泡，然后在泡内外压强差作用下发生体积振荡。因此，沸腾是一种热的现象，而空化更多的是一种动力学现象。
举个我们都亲身经历过的例子，当掰手指的时候，或者突然转动脖子和弯曲膝盖时，关节会发出“咔咔”的响声。很多人会觉得这是因为关节错位导致的脆响，但是真实的原因并非如此。此时此刻，大家会不会开始掰手指了呢。
关节腔内有起润滑作用的关节液，当突然扭动关节的时候，腔内由于压强降低，会生成一些小空泡，关节的响声就是这些空泡溃灭引起的。这与手枪虾发出“噼啪噼啪”的响声类似。当手枪虾群聚集时，它们发出的大量噪声能够影响水声通讯，甚至能够让潜艇避开声呐的探测追踪。
图5 一位科普爱好者的亲身示范：掰手指
图6 关节空腔内空泡溃灭示意图 （https://v.youku.com/v_show/id_XNDY2ODU1MDYyMA==.html?spm=a2h0c.8166622.PhoneSokuUgc_2.dtitle）
在自然界中还有许多现象与空泡相关，影响着很多水生动物的行为。
一些大型的哺乳动物或鱼类，游动速度能够超过15m/s，尾鳍处可能会产生空泡。有报道称，海豚游动的速度限制主要来自于空化，因为空泡溃灭会让它们觉得很痛。而金枪鱼因为尾鳍是骨质的，没有神经和疼痛感，瞬时最高时速能够达到160km/h，学者就观察到金枪鱼尾鳍上有一些由于空泡溃灭而形成的小坑。
二、小小的空泡为什么会有这么大的威力？
空泡内的主要成分是水蒸气，其运动行为主要由压力控制，外部高压作用下，气泡会产生强烈的坍缩溃灭。这种溃灭能够将整个空泡的势能集中于一个非常小的点上，能量密度非常高。据计算，溃灭时温度能高达几万摄氏度以上，甚至产生光和聚变，即声致发光（sonoluminesence）和声致聚变（Sonofusion）现象。
在溃灭过程中，高速射流和高压冲击波是最主要破坏手段。空化产生的球形空泡，在高压环境中，被压缩成非球形。在此过程中产生了非常高的冲击速度，诱导冲击波产生。这种过高的速度对壁面会引起腐蚀作用。
单个气泡虽小，累积起来的威力是非常巨大的，会对结构产生明显的剥蚀破坏，被称为“空蚀”或“气蚀”。现实生活中能够体现空泡巨大威力的一个例子来自于水利领域。下图是胡佛水坝的泄洪通道，泄洪时的高速水流会产生巨大的负压区和大量的空泡，空泡溃灭在洞壁处挖了一个巨大的洞（红色箭头所指的是洞口，洞旁红圈所围住的白色部分是一个工作人员）。
图7 胡佛水坝溢洪道由于空蚀形成的大洞 (参考文献[3]）
另一个例子是水翼、螺旋桨、水轮机叶片。由于高速运转，在物体表面的低压区也会产生大量的空泡。空泡溃灭会产生局部高能冲击载荷进而诱导表面的空蚀破坏（如下图），而压力脉冲的累积效应也能够诱发强烈的振动、噪声等问题。螺旋桨空泡噪声是潜艇隐蔽性中的重要问题。因此，在高速水动力学领域，空泡溃灭可以说是工程应用中的头号敌人。
图8 水轮机叶片典型的空蚀结构破坏图 (参考文献[4]）
图9 用9亿网格模拟近壁面空泡溃灭过程（参考文献[5]）
三、破坏大王空泡也可以为人类所用
虽然空泡溃灭具有强大的破坏力，但只要加以正确的引导，其溃灭产生的能量也可以为人类所用。
超声清洗是空泡溃灭最常见的应用方式。我们洗眼镜用到的超声清洗机、刷牙时用的声波震动式电动牙刷，都是用超声波的方式在水中产生大量小空泡，利用空泡溃灭的压力来剥落污垢的。目前，空泡溃灭的原理在医学领域已广泛用于碎石、吸脂、杀菌、造影、药物输运、溶栓治疗级，甚至是美容领域（下图）等等。超声脸部美容仪不仅具有清洁皮肤作用，产生微细的按摩作用，可以改善脸部的血液循环功能，提高新陈代谢，是“乘风波浪的姐姐和哥哥们”的不二之选。
图10 超声波在美容领域的应用：清洁皮肤、紧致去皱、瘦身瘦面等（图片来源：veer图库）
另一方面，通过对自然界中“自带空泡武器”生物的研究，极大地促进了相关工程领域的研究进展。比如，基于手枪虾的“虾光原理”，我们成功打造了激波等离子体枪装置，可以有效攻击目标结构。同样的产生空化的仿生原理也应用于地热钻探、水下声学消波等。
图11 仿生枪虾装置的示意图与模型(参考文献[6]）
参考文献：
[1] Deadly strike mechanism of a mantis shrimp”, Nature, 2004
[2] Dolphins swim so fast it hurts”, New scientists, 2008
[3] Warnock, J.E. (1945). Experiences of the Bureau of Reclamation. Proc. Amer. Soc.Civil Eng., 71, No.7, 1041--1056.
[4] Christopher E. Brennen. An introduction to cavitation fundamentals, 2011
[5] Temperatures produced by inertially collapsing bubbles near rigid surfaces J. Fluid Mech. (2018), vol. 852, 105-125.
[6] X. Tang, D. Staack, Bioinspired mechanical device generates plasma in water via cavitation. Sci. Adv. 5, eaau7765 (2019).
（本文曾在科学大院发布）
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