2013年10月，《NatureChina》的重點(diǎn)提示專欄，評(píng)述了浙大機(jī)械系鄒俊、吉晨、袁寶剛、阮曉東、傅新在國(guó)際著名期刊《PhysicalReviewE》上發(fā)表的研究論文“Collapse of Anantibubble”。這是目前列入《NatureChina》2013年中國(guó)物理領(lǐng)域研究亮點(diǎn)的16篇論文之一。課題組負(fù)責(zé)人傅新教授說，這篇論文，是課題組一項(xiàng)持續(xù)了10多年的研究中的一個(gè)“小發(fā)現(xiàn)”。10多年間，課題組已在“流體介質(zhì)空化”這個(gè)液壓領(lǐng)域的基礎(chǔ)問題上，做了一系列跨越工程實(shí)際和基礎(chǔ)研究的探索和實(shí)踐。
    
    燒水的時(shí)候，壺里會(huì)傳出“嗞嗞”的聲音，隨著溫度升高聲音越來越大，沸騰時(shí)卻嘎然而止。這一常見的從“無聲”到“有聲”再到“無聲”的現(xiàn)象，是由于氣泡在一個(gè)變化的溫度場(chǎng)中的活動(dòng)產(chǎn)生的。類似的現(xiàn)象也會(huì)出現(xiàn)在機(jī)電裝備常用的液壓系統(tǒng)中，卻包含著比燒水更為復(fù)雜而深?yuàn)W的“秘密”。浙江大學(xué)機(jī)械系傅新教授課題組有一項(xiàng)持續(xù)了近13年的研究，與液體中的“氣泡”有關(guān)，也與“噪聲”有關(guān)。他們把一個(gè)工程上的難題抽絲剝繭，通過基礎(chǔ)研究摸清了機(jī)理，并再次化為解決工程實(shí)際問題的方法。
    
    小氣泡引發(fā)的大麻煩
    
    傅新教授的“老本行”，是研究液壓元件中的流動(dòng)現(xiàn)象，為元件設(shè)計(jì)提供依據(jù)，讓它們更加穩(wěn)定、高效和長(zhǎng)壽。六七年的工程研究下來，課題組注意到：“搗蛋”的不光是復(fù)雜的流動(dòng)，更主要是裹挾在液體介質(zhì)中的那些“不期而至”的氣泡。專業(yè)上，它們稱為“群空泡”。
    
    “一般的工程設(shè)計(jì)人員，在設(shè)計(jì)閥口過流面積的時(shí)候，把介質(zhì)看作單相流，”傅新說，“但在實(shí)際運(yùn)行過程中，閥口流體介質(zhì)會(huì)被‘空化’，成為氣液兩相流，對(duì)元件的性能有很大的影響。”傅新的實(shí)驗(yàn)室用高強(qiáng)度透明材料制作閥體，觀察了大量不同閥口的流動(dòng)現(xiàn)象，在閥口位置，一旦發(fā)生空化現(xiàn)象，就可以看到一群空泡在涌動(dòng)。
    
    空泡多了，會(huì)帶來很多麻煩事”。傅新說，在液壓系統(tǒng)中，泵、馬達(dá)、液壓閥等的內(nèi)部結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，常常有突擴(kuò)和突縮的流道，壓差和溫差又非常大，這樣給空泡的產(chǎn)生創(chuàng)造了條件。“很多的空泡潰滅時(shí)，會(huì)產(chǎn)生很大的噪聲，成為液壓元件中的主要噪聲源之一。”同時(shí)，看似“柔弱”的空泡接觸元件壁面時(shí)，會(huì)產(chǎn)生“殺傷力”很大的微射流，許多個(gè)這樣的空泡在近壁面潰滅，時(shí)間長(zhǎng)了，再堅(jiān)硬的固體表面也“吃不消”，表面會(huì)有微小的坑坑洼洼，像被腐蝕過一樣，人稱“氣蝕”，這在液壓系統(tǒng)中非常常見。
    
    介質(zhì)空化的危害很大，它還會(huì)讓閥芯產(chǎn)生振動(dòng)、流量發(fā)生變化，導(dǎo)致液壓元件性能下降。“怎樣控制和減少空化的現(xiàn)象，是我們面對(duì)的一個(gè)重要課題。”傅新說。
    
    2001年，世界著名的挖掘機(jī)制造商之一日立建機(jī)發(fā)現(xiàn)傅新課題組所研究的問題，也正是他們?cè)诠こ虒?shí)際中碰到的難題，共同的研究興趣使雙方走到了一起。
    
    把脈“氣泡”
    
    遇到問題，就要找到解決的方法。在這場(chǎng)持續(xù)了多年的“持久戰(zhàn)”中，課題組動(dòng)用了“看、聽、測(cè)、算”的手段，“把脈”這些難以琢磨的“氣泡”。
    
    為了“看”明白流動(dòng)的細(xì)節(jié)，弄清氣泡到底怎樣在“搗鬼”，實(shí)驗(yàn)室添置了價(jià)值70多萬的高速攝影機(jī)；“聽”，就是用傳感器去代替人的耳朵，從“噪聲”的頻譜特征中，去分析空化的程度和空泡的尺度；為了搞清楚壓力梯度對(duì)空化和噪聲的影響，課題組還發(fā)明了一套裝置去“測(cè)”閥口局部的壓力分布；另外，還通過仿真計(jì)“算”，模擬閥口流動(dòng)的現(xiàn)象。
    
    “在不同結(jié)構(gòu)的液壓閥中，我們看到了群空泡不同的形成過程。比如：在U型閥口，流體會(huì)形成兩個(gè)對(duì)稱的漩渦，誘發(fā)大尺度的空穴，這是一個(gè)新的發(fā)現(xiàn)。”傅新說。他們進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，這種大尺度的“空穴”會(huì)抑制氣泡的產(chǎn)生，“因?yàn)?lsquo;空穴’占據(jù)了局部的低壓空間，空化的初生受到抑制。這給我們?cè)诳栈刂品矫嫣峁┝藛⑹?，我們?cè)谠O(shè)計(jì)閥口時(shí)，就要有利于在閥口局部形成大尺度的‘空穴’。”
    
    聽”到的結(jié)果也很有意思。傳統(tǒng)的觀點(diǎn)認(rèn)為，氣泡多了，噪聲就會(huì)大一些，但實(shí)驗(yàn)的結(jié)果則不然，壓力梯度實(shí)際是個(gè)關(guān)鍵的因素；同樣有大量氣泡，V型閥口比U型口噪聲要大，還有嘯叫聲，進(jìn)一步的計(jì)算和模擬發(fā)現(xiàn)，充分發(fā)展剪切層的不穩(wěn)定性是V型閥口嘯叫的根源。事實(shí)上，“噪聲”的形成，氣泡只是一個(gè)必要條件，還需要一個(gè)充分條件：氣泡必須經(jīng)過變化的壓力場(chǎng)或者溫度場(chǎng)。
    
    “燒水的時(shí)候，壺里傳出來的聲音，就是氣泡經(jīng)過變化的溫度場(chǎng)引起的，同樣的道理，當(dāng)氣泡流經(jīng)劇烈變化的閥口壓力場(chǎng)的時(shí)候，當(dāng)然會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的噪聲。”傅新說，“所以，如果能把壓力場(chǎng)的變化控制到很低，噪聲也就會(huì)降下來。”
    
    平息“氣泡”
    
    大量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果為工程設(shè)計(jì)提供了線索。傅新說，現(xiàn)在我們已經(jīng)找到了一些抑制空化和降低噪聲的方法。比如，在閥口設(shè)計(jì)時(shí)，采用二次節(jié)流的辦法，減小壓力的變化；利用漩渦對(duì)空化的調(diào)制作用，通過閥口結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，形成穩(wěn)定的空穴，這樣氣泡會(huì)聚集起來，看起來氣泡很大，但是噪聲是低的；另外一個(gè)做法，降低液壓介質(zhì)中的氣體含量，用漩渦聚集氣體，將其排出……在國(guó)家自然科學(xué)基金和日立建機(jī)的支持下，這項(xiàng)研究已經(jīng)先后有7位博士生參與，一些理論成果陸續(xù)在《PHYSICSOFFLUIDS》、《PHYSICSREVIEW》上發(fā)表，課題組成員多次受邀到相關(guān)國(guó)際學(xué)術(shù)論壇上做大會(huì)報(bào)告。鄒俊博士因?yàn)樵谝簤航橘|(zhì)空化中所做的基礎(chǔ)研究工作，在2012年獲得國(guó)家自然科學(xué)基金委首批優(yōu)秀青年基金的資助。
    
    “這件事情一開始是為了解決工程應(yīng)用問題。但做到一定程度的時(shí)候，我們發(fā)現(xiàn)如果脫離了基礎(chǔ)研究，對(duì)問題的認(rèn)識(shí)和解決都不會(huì)徹底。”傅新說，接下來，這項(xiàng)研究還會(huì)持續(xù)很長(zhǎng)時(shí)間，“現(xiàn)在我們正在試驗(yàn)一套‘無’空化液壓系統(tǒng)，希望能徹底把氣泡根除掉，這個(gè)嘗試如果能奏效，對(duì)未來液壓元件的設(shè)計(jì)，會(huì)產(chǎn)生很大的影響。”
    
    （周煒）