空泡在水下激光推进不同形状靶材中的作用研究(6)
2.3.3 Splashing
Tong[10]（1999年）等人提出了splashing的概念，并指出splashing也是造成固壁面损伤的主要方式之一。2000年，Shaw[11] (2006)利用条纹照相技术结合薄膜式传感器测量了固壁面以及周围液体中由于激光泡溃灭而产生的压应力进行了测量，并识别了射流发展、声脉冲形成以及“Splashing”现象。2002年，Brujan[12]采用5,000,000帧/秒的高速摄影仪拍摄了空泡溃灭过程中射流的发展过程、声脉冲形成以及“splashing”效应，并运用边界元积分方法及不可压液体模型对空泡溃灭阶段进行了数值模拟，得出了液体以及固体和液体分界面附近的压力场和速度矢量。2003年，Lindau[13]进一步改进高速摄影术，将拍摄帧速提高到每秒100,000,000帧，实验观测了射流和逆射流随值变化的细节过程，同时该实验结果验证了Tong所提出的“splashing”效应。本实验研究中不需要考虑splashing效应。
2.4 实验方法
目前，水下激光推进已被用多种技术进行了很长时间的研究，其中以高速摄影法使用最为广泛。1972年，Kling 采用高速摄影技术研究了火花泡在流体中溃灭的过程。同年，Lauterborn将其成功应用于激光空泡溃灭过程的检测，获得了每秒万帧的时域特性瞬态图象。之后，Vogel[14]等人(1989)将高速摄影技术拍摄帧速提高到每秒百万帧，从而得到了空泡在固体壁面附近溃灭和反弹的细节过程,包括射流的产生。此外，研究还发现空泡溃灭在产生射流的同时还将出现“逆射流”现象。该逆射流强度也与有关，它随的减小而单调增加，其产生条件为 。之后，Claus-Dieter[15]等人(1998)采用高达20,000,000帧/秒高速摄相机，利用激波与空泡面的相互干扰作用对逆射流现象作了详细的解释。2003年，Lindau[16]等人进一步改进高速摄影术，将拍摄帧速提高到每秒100,000,000帧，实验观测了射流和逆射流随值变化的细节过程，其实验结果验证了Tong所提出的“splashing”效应。
除了高速摄影法之外,Tomita[17](1986)等人亦采用纹影法测试了空泡溃灭对周围固体壁面的冲击和蚀除效应。Ward[18](1991)采用干涉法探测了空泡在有机玻璃附近溃灭时对外辐射的冲击波，以及该冲击波在透明靶材表面上的反射和透射特性。1996年，Vogel[19]等人利用光延迟技术获得了皮秒和纳秒激光产生的空泡溃灭射流速度。Schiffers (1998), Philipp(1998), Shaw[20](2001)等人分别采用压电换能器(水听器)结合纹影法(高速摄影法)研究了激光空泡溃灭阶段对外辐射的冲击波和射流效应对周围靶材的力学加载效应与值的关系。Barber[21] (1992)和Weninger[22](1997)等人采用Mie散射法，即将一束宽度大于空泡半径的激光束照射空泡时，在侧面用光电倍增管等探测器接收空泡对激光束的散射光，从而得到空泡在某一时刻的半径。
3 本文内容
在查阅了国内外有关激光与液态物质相互作用过程及机理研究方面的文献资料基础上，简介了空泡以及激光推进的历史与现状，水下激光推进的机理、产生方法、探测手段。本文采用高速摄相法进行研究，得到激光对不同形状物体的推进效果，以及空泡在其中的作用。实验测定空泡最大半径与激光能量的关系，不同形状推进物体获得的动量以及动量耦合系数和激光能量的关系。
3.1 实验装置
3.1.1 优尔种推进物体
本文的实验对优尔种推进物体进行了研究。优尔种物体如图3所示。
图3 优尔种推进物体
优尔种铝制轴对称物体的几何参数如表1所示。表1中的一系列数据和图一的内容是一致的。
表1 优尔种推进物体的几何参数
3.1.2 实验装置图
如图4，物体1为Q开关的Nd：YAG激光器，物体2为激光扩束器，物体3为聚焦透镜，4为待测的推进物体，物体5为氦氖激光器，6为充满水的水槽，7为过滤片，8为衰减片，物体9为高速照相机。采用光学扩束装置以增大会聚角，这样可有效地防止水首先发生光学击穿，从而保证初始的激光等离子体空泡泡心始终位于靶材表面，且具有较好的半球状。焦斑处激光功率密度远大于铝的击穿阈值7.5×107 W／cm2。