上世纪40年代初，一艘外国潜艇在望加锡海峡执行任务时，侦听设备频繁被“噼噼啪啪”的神秘噪声所干扰。
起初，这些噪声的来源令人困惑。之后，随着科学家在附近海域发现大量聚集的枪虾，于是推测这些海洋生物可能是异常噪声的源头。
几年后，美国加州大学的一个研究团队发表了一篇有趣的研究报告，认为这些巨大噪声的真正来源是枪虾大螯快速闭合时产生的剧烈碰撞。
直至21世纪初，荷兰特温特大学应用物理学教授Lohse及其研究团队，结合高速摄影技术和水听器设备，才清晰捕捉到水射流形成后一个微小气泡瞬间产生、膨胀，又在极短时间内剧烈坍缩的全过程。同时，水听器接收到的强烈声波信号与气泡坍缩的时间点完美吻合，从而真正揭开了巨大噪声的神秘面纱——水射流运动中形成的气泡所致。
令人惊讶的是，这些气泡不仅能够发出巨大声响，还具有惊人的破坏力。那么，这些神秘的气泡究竟是如何产生的？为何能发出如此巨大的声音？又为何具有如此强大的破坏力？
空化现象
解答上述问题，必须了解一个基本物理原理：在流体中，流速增加时压强会减小，流速减小时压强会增加，这是伯努利原理的体现。同时，液体的沸点会随压强的降低而降低，这也是我们在高海拔地区难以煮熟鸡蛋的原因。
回到枪虾的话题，其大螯的快速闭合能够产生高达115 千米/小时的高速水流，这种速度下形成的低压足以使液态水在无需加热的情况下直接转化为水蒸气，进而形成气泡，这一过程被称为“空化现象”。
气泡产生后，由于其泡内压力远低于外部水压，气泡被迅速挤压收缩，最终发生坍缩溃灭，随之产生冲击波及近210分贝的声音。枪虾正是利用这些气泡，成为海洋里的“夺命高手”。
空化威胁
空化气泡的巨大噪声和破坏力会对结构造成显著的剥蚀破坏，特别是对于水下高速运转的水翼、螺旋桨及水轮机叶片，当大量气泡的溃灭发生在这些固体表面或附近时，微射流会以极高的速度冲击材料表面，冲击波在材料内部产生应力波。
这种反复的、高强度的局部冲击，就像无数微小的、持续敲打的“水锤”，导致金属或其他材料表面发生疲劳剥蚀，形成麻点、凹坑，最终诱导材料表面的空蚀破坏，继而诱发振动、噪声等一系列问题。
这些问题不仅会干扰水下通信设备及声呐的正常运作，而且噪声还可能暴露作业中的舰艇的位置。由于空化和空蚀作用，设备系统的效率往往会降低，结构遭受剥蚀破坏，最终导致设备无法正常运行。
因此，在高速水动力学领域，空化气泡无疑是工程应用中的一大隐患，堪称“头号杀手”。
化威胁为助力
正如事情总有两面性，空化现象也带来了一些积极效果。
随着空化过程的进一步发展，空化气泡逐渐包裹整个绕流物体，形成“超空泡”。超空泡可以使物体与外界水体完全隔离，将物体置于气相中运动，从而将固/液界面转变为固/气界面，降低黏度，进而大幅度减少摩擦阻力，实现从固/液摩擦到固/气摩擦的转变。由于气体的黏性阻力远小于液体，航行体受到的摩擦阻力得到极大幅度的降低，因而超空泡技术在军事和民用领域具有较大的应用潜力。
20世纪军工领域出现的超空泡鱼雷就是对超空泡技术加以利用的体现，其能使鱼雷的航行速度从60节提高至200节以上，具有重要的军事价值。需要指出的是，这种超空泡的形成使得航行体被气相所环绕，当受到外界干扰、姿态发生变化时，航行体部分沾湿会受到很大的尾拍力矩影响，长航时姿态稳定控制存在很大难度。
超空泡技术的应用潜力远不止于武器。在民用高速船舶领域，它代表着突破兴波阻力壁垒、实现“水上飞”的关键路径。兴波阻力是指船舶航行时兴起重力波引起的阻力，其值除与船长、船型和船舶航行方式有关外，还随航速而增大。当水面船舶速度超过一定阈值——约50节后，兴波阻力急剧增大，成为速度提升的主要障碍。利用超空泡原理，可以使船体部分被空泡包裹，从而显著降低阻力。
创新与应用
早在半个多世纪以前，我国“两弹一星”元勋、中国科学院力学研究所（以下简称力学所）首任所长钱学森就前瞻性地提出了与超空泡技术相关的“超气蚀”翼面概念。
钱学森在《力学学报》一篇关于水翼理论的文章中提出，对于时速超过90公里的应用场景，传统设计已不适用，必须采用能产生稳定超空泡包裹翼型的特殊设计。这一思想远超当时国内外的工程实践水平，为后来超空泡技术的发展指明了方向。
在钱学森亲手创建的力学所，科研团队对超空泡流动机理、稳定性和控制等基础问题开展研究，利用这些技术研制出的新概念高速船模型，使我国水面船的速度和稳定性得到了大幅度提升，相关基础理论研究成果发表在流体力学权威期刊Journal of Fluid Mechanics上，获得了国际同行的高度认可。这些研究成果不仅为提升船舶航行速度提供了依据和思路，也为建设海洋强国贡献了力量。
空化现象的独特物理效应，使其在众多领域都有着令人兴奋的应用前景。
在工业清洗领域，利用超声波在液体中产生的空化气泡溃灭时的冲击力，可以高效、无损伤地清除精密零件表面的顽固污渍和微粒；在生物医学领域，利用聚焦超声波在体内特定部位产生可控的空化现象，可无创击碎结石、破坏肿瘤组织；在材料科学领域，可利用空化现象溃灭的能量进行表面改性和纳米颗粒制备等。
从被枪虾干扰的潜艇，到领跑全球的超空泡技术，空化现象向人们展现了自然与物理的神奇结合。尽管我们对空化现象的理解和应用已取得长足进步，但其深层次的物理机制，如多泡相互作用、湍流中的空化、相变与非平衡热力学过程等，依然是复杂的前沿课题。
未来，我们的研究将更加依赖于多尺度、高精度数值模拟与精细化流场实验测量技术的深度融合。科学家们将在科技创新的道路上持续前行、深化研究，进一步探索空化现象，推动空泡动力学在更多领域取得突破。■
（作者单位：中国科学院力学研究所）
