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在1942年初，一艘美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”的神秘噪声干扰。起初，这些噪声的来源令人困惑。然而，随着科学家们在附近海域发现了大量聚集的手枪虾，他们开始推测这些海洋生物可能是这些异常噪声的源头。

1946年，加州大学战争研究部海军电子实验室发表了一篇有趣的研究报告，揭示了这些巨大噪声的真正来源——手枪虾巨螯在快速闭合时产生的剧烈碰撞。

加州大学战争研究部海军电子实验室关于枪虾引起的噪声研究报告

手枪虾大鳌放大9倍的手绘图

（图片来源：参考文献1）

然而直至2000年，荷兰特温特大学应用物理教授Lohse及其研究团队，结合高速摄影技术和水听器设备，才真正揭开了噪声的神秘面纱，这实际上是水射流运动中形成的气泡所致。

更令人惊讶的是，这些气泡不仅能够发出巨大的声响，还具有惊人的破坏力。看到这里人们不禁好奇，这些神秘的气泡究竟如何产生？它为何能发出如此大的声音？又为何具有如此强大的破坏力？

（A）实验中水听器获得的信号

（B）（B）高速相机捕获的空化气泡的发展演化过程

（图片来源：参考文献2）

什么是空化现象？

为了解答前面这个问题，我们必须理解一个基本的物理原理：那就是在流体中，流速增加时压强会减小，而流速减小时压强会增加，这是伯努利原理的体现。同时，液体的沸点会随着压强的降低而降低，这也是为什么我们在高海拔地区使用沸水煮鸡蛋也难以煮熟的原因。

回到手枪虾的话题，其大螯的快速闭合能够产生高达115km/h的高速水流，这种速度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，形成了我们看到的气泡，这一过程被称为空化现象。

空泡气泡产生后，由于其泡内压力远远低于外部水压，气泡会被迅速挤压收缩，最终发生坍缩溃灭，产生冲击波以及近210分贝的声音，手枪虾也正是利用这些空化气泡，成为海洋里的夺命高手。

空化发生条件的示意图

（图片来源：本图为作者参考文献3Franc J P原图制成）

空化的威胁：从噪声到结构破坏

这种空化气泡的巨大噪声和破坏力不仅限于手枪虾，他们同样会对结构造成显著的剥蚀破坏。特别是水下高速运转的水翼、螺旋桨以及水轮机的叶片，大量的空泡气泡会在表面的低压区形成，产生局部高能冲击载荷进而诱导表面的空蚀破坏，并诱发振动、噪声等一系列问题。

这些问题不仅会干扰水下通讯及声呐的正常运作，还可能因为噪声暴露作业中舰艇的位置。同时，由于空化和空蚀的作用，设备系统的效率往往会降低，结构遭受剥蚀破坏，甚至可能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。

水轮机叶片典型的空蚀结构破坏图

(图片来源：参考文献4)

化威胁为助力：空化技术的应用

然而，正如事情总具有两面性，空化作用也带来了一些积极效果。

随着空化的进一步发展，空泡逐渐包裹整个绕流物体，形成“超空泡”。这种特殊的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，降低了黏度，进而大幅度减少了摩擦阻力。因此，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这种技术的体现，它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。但需要指出的是，这种超空泡的形成使得航行体被气相环绕，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,其长航时姿态稳定控制存在很大难度。

超空泡流动示意图

（图片来源：参考文献5）

未来探索：高速水面航行器

其实早在60年前，我国“两弹一星功勋奖章”获得者、中国科学院力学研究所第一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”翼面的概念。他在《力学学报》一篇水翼理论文章中，提出时速超过90公里的应用，传统设计已不适用，就必须用到这种翼型。这一远超当时研究范围的概念，如今得到验证和应用。

在钱学森亲手创建的中国科学院力学研究所，科研团队利用该技术，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近期也发表在流体力学权威期刊（Journal of Fluid Mechanics）上。这些研究成果不仅为提升船舶的航行速度提供了依据和思路，也为实现建设海洋强国战略目标贡献了力量。

相关成果被央视新闻报道

（图片来源：央视新闻）

空化气泡看似简单，却展现了自然与物理的神奇结合。通过深入研究，科学家将进一步探索如何更高效地利用这一现象，从而推动高速流体力学在更多领域的突破。

参考文献：

[1] Division of War Research at the U.S.Navy Electronics Laboratory, University of California, “Underwater noise caused by snapping shrimp” (San Diego, 1946)

[2] M Versluis, B Schmitz, A von der Heydt, D Lohse (2000). How Snapping Shrimp Snap: Through Cavitating Bubbles. Science, 289 (5487): 2114-2117.

[3] Franc J. P., Michel J. M. Fundamentals of cavitation. Springer, 2004.

[4] Christopher E. Brennen. An introduction to cavitation fundamentals, 2011

[5] Jaeho Chung1 and Yeunwoo Cho. Ventilated supercavitation around a moving body in a still fluid: observation and drag measurement J. Fluid Mech. (2018), vol. 854, pp. 367-419.