年4月16日，PhysicalReviewFluids上刊登了清华大学能源与动力工程系刘树红、左志钢老师课题组任子博等人关于强剪切流对表面微纳米气泡的作用的研究成果，论文题目为《强剪切流使表面微纳米气泡释放气核》（Strongshearflowsreleasegaseousnucleifromsurfacemicro-andnanobubbles）。该研究通过光学手段直接观测到表面微纳米气泡在边界层强剪切流中发生大变形，断裂并脱落游离气核的过程，并从数值模拟和理论模型两个方面给出了物理解释，提出了由表面微纳米气泡产生游离气核的新机理，证明了表面微纳米气泡对空化初生的作用。

空化现象经常起始于液固界面，空化的发生对固体表面的作用包括射流冲击、空蚀、振动等等，同时亦会降低水力机械的性能。从年Harvey提出的“缝隙模型”开始，人们普遍认为液固界面空化起始于表面缝隙内的微纳米气泡，即存在于粗糙表面缝隙内的空化核。然而该理论无法解释光滑表面的空化现象。本世纪初，人们通过原子力显微镜等实验手段，发现光滑表面上存在高度为百纳米级、横向尺寸可达微米级的球帽状微纳米气泡。由于表面微纳米气泡的三相接触线极为稳定，研究中缺少有效诱发表面微纳米气泡空化的手段，因此这些表面微纳米气泡能否成为空化核备受争议。本文研究中，作者巧妙地运用电火花空泡在水中刚性固体表面附近溃灭产生高速射流，进而诱导产生瞬时壁面剪切力可达10~kPa的壁面边界层强剪切流，从而冲击乙醇-水替换法产生的表面微纳米气泡，通过20倍率光学显微镜和高速摄像机成功观测到表面微纳米气泡的变形-断裂-释放游离气核的现象（图1a）。

图1表面微纳米气泡在强剪切流中的三类变形现象

作者根据不同尺寸的表面微纳米气泡变形强弱的不同，将变形描述为细长型（slendertether，图1a），圆末端（roundedtether，图1b）和微变形（milddeformation，图1c）等三类。通过在定常Couette流动中开展三维数值模拟，再现了三类变形现象。图2展示了三类变形对应的数值模拟结果。

图2表面微纳米气泡三类变形的三维数值模拟

作者通过对表面微纳米气泡在剪切流中受力分析，将其变形现象归因为流动曳力和三相接触线钉扎力的竞争作用，同时Rayleigh-Plateau不稳定性参与到细长型和圆末端变形的气泡断裂过程中，并据此提出了临界毛细数，给出了气泡变形量的控制方程，解释了气泡断裂瞬间的最大无量纲伸长量随毛细数Ca增加的关系（图3），揭示了表面微纳米气泡在强剪切流作用下发生变形-断裂的机理。

图3气泡断裂前的最大无量纲伸长量和毛细数Ca的关系

综上，作者们回答了“表面微纳米气泡能否成为空化核”这个困扰了人们近20年的问题。同时，该研究展示了表面微纳米气泡在强剪切流下变形-断裂-释放气核的行为，对表面减阻、气泡去除、气体贮存和释放的控制等潜在应用具有指导意义。

清华大学能源与动力工程系级直博生任子博为该论文第一作者，导师为刘树红教授，清华大学能动系刘树红教授、左志钢副研究员和德国马格德堡大学Claus-DieterOhl教授为通讯作者。

论文信息：

ZiboRen,ShuhongLiu*,BengHauTan,FabianDenner,FabienEvrard,BerendvanWachem,ZhigangZuo*,andClaus-DieterOhl*.Strongshearflowsreleasegaseousnucleifromsurfacemicro-andnanobubbles.PhysicalReviewFluids.06,().DOI:10./PhysRevFluids.6.