出品：科普中國
作者：王永九（中國科學院力學研究所）
監制：中國科普博覽
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在1942年初，一艘美國潛艇在望加錫海峽執行任務時，偵聽設備頻繁被“噼噼啪啪”的神秘噪聲干擾。起初，這些噪聲的來源令人困惑。然而，隨著科學家們在附近海域發現了大量聚集的手槍蝦，他們開始推測這些海洋生物可能是這些異常噪聲的源頭。
1946年，加州大學戰爭研究部海軍電子實驗室發表了一篇有趣的研究報告，揭示了這些巨大噪聲的真正來源——手槍蝦巨螯在快速閉合時產生的劇烈碰撞。
加州大學戰爭研究部海軍電子實驗室關于槍蝦引起的噪聲研究報告
手槍蝦大鰲放大9倍的手繪圖
（圖片來源：參考文獻1）
然而直至2000年，荷蘭特溫特大學應用物理教授Lohse及其研究團隊，結合高速攝影技術和水聽器設備，才真正揭開了噪聲的神秘面紗，這實際上是水射流運動中形成的氣泡所致。
更令人驚訝的是，這些氣泡不僅能夠發出巨大的聲響，還具有驚人的破壞力。看到這里人們不禁好奇，這些神秘的氣泡究竟如何產生？它為何能發出如此大的聲音？又為何具有如此強大的破壞力？
（A）實驗中水聽器獲得的信號
（B）高速相機捕獲的空化氣泡的發展演化過程
（圖片來源：參考文獻2）
什么是空化現象？
為了解答前面這個問題，我們必須理解一個基本的物理原理：那就是在流體中，流速增加時壓強會減小，而流速減小時壓強會增加，這是伯努利原理的體現。同時，液體的沸點會隨著壓強的降低而降低，這也是為什么我們在高海拔地區使用沸水煮雞蛋也難以煮熟的原因。
回到手槍蝦的話題，其大螯的快速閉合能夠產生高達115km/h的高速水流，這種速度形成的低壓足以使液態水在無需加熱的情況下直接轉化為水蒸氣，形成了我們看到的氣泡，這一過程被稱為空化現象。
空泡氣泡產生后，由于其泡內壓力遠遠低于外部水壓，氣泡會被迅速擠壓收縮，最終發生坍縮潰滅，產生沖擊波以及近210分貝的聲音，手槍蝦也正是利用這些空化氣泡，成為海洋里的奪命高手。
空化發生條件的示意圖
（圖片來源：本圖為作者參考文獻3Franc J P原圖制成）
空化的威脅：從噪聲到結構破壞
這種空化氣泡的巨大噪聲和破壞力不僅限于手槍蝦，他們同樣會對結構造成顯著的剝蝕破壞。特別是水下高速運轉的水翼、螺旋槳以及水輪機的葉片，大量的空泡氣泡會在表面的低壓區形成，產生局部高能沖擊載荷進而誘導表面的空蝕破壞，并誘發振動、噪聲等一系列問題。
這些問題不僅會干擾水下通訊及聲吶的正常運作，還可能因為噪聲暴露作業中艦艇的位置。同時，由于空化和空蝕的作用，設備系統的效率往往會降低，結構遭受剝蝕破壞，甚至可能導致設備無法正常運行。因此，在高速水動力學領域，空化氣泡無疑是工程應用中的一大隱患，堪稱頭號殺手。
水輪機葉片典型的空蝕結構破壞圖
(圖片來源：參考文獻4)
化威脅為助力：空化技術的應用
然而，正如事情總具有兩面性，空化作用也帶來了一些積極效果。
隨著空化的進一步發展，空泡逐漸包裹整個繞流物體，形成“超空泡”。這種特殊的空泡可以使物體與外界水體完全隔離，將物體置于氣相中運動，從而將固/液界面轉變為固/氣界面，降低了黏度，進而大幅度減少了摩擦阻力。因此，在軍事和民用領域具有較大的應用潛力。
20世紀軍工領域出現的超空泡魚雷就是這種技術的體現，它能使魚雷的航行速度從60節提高至200節以上，具有重要的軍事價值。但需要指出的是，這種超空泡的形成使得航行體被氣相環繞，受到外界干擾姿態發生變化時,航行體部分沾濕會受到很大的尾拍力矩影響,其長航時姿態穩定控制存在很大難度。
超空泡流動示意圖
（圖片來源：參考文獻5）
未來探索：高速水面航行器
其實早在60年前，我國“兩彈一星功勛獎章”獲得者、中國科學院力學研究所第一任所長錢學森就前瞻性地提出了與超空泡技術相關的“超氣蝕”翼面的概念。他在《力學學報》一篇水翼理論文章中，提出時速超過90公里的應用，傳統設計已不適用，就必須用到這種翼型。這一遠超當時研究范圍的概念，如今得到驗證和應用。
在錢學森親手創建的中國科學院力學研究所，科研團隊利用該技術，研制出的新概念高速船模型，使我國水面船的速度和穩定性得到了大幅度提升，相關基礎理論研究成果近期也發表在流體力學權威期刊（Journal of Fluid Mechanics）上。這些研究成果不僅為提升船舶的航行速度提供了依據和思路，也為實現建設海洋強國戰略目標貢獻了力量。
相關成果被央視新聞報道
（圖片來源：央視新聞）
空化氣泡看似簡單，卻展現了自然與物理的神奇結合。通過深入研究，科學家將進一步探索如何更高效地利用這一現象，從而推動高速流體力學在更多領域的突破。
參考文獻：
[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.
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