根据1.3.2节所述，在工程实际应用中，空化现象的出现往往伴随着湍流流动和汽化相变等复杂流动过程，并且导致空泡的分离、脱落、溃灭，造成空蚀、振动、噪声以及机械效率下降等负面现象的产生。因此，在早期工程设计中，设计人员对空化现象的分析与研究目标，主要是为了避免空化现象的产生。随着针对空化现象研究的不断深入，其正面作用在军事、机械、医疗，甚至自然界中得以广泛的应用。本节将针对各领域内应用空化现象的典型事例加以叙述。

1.3.3.1　空化在军事领域的应用

1.水下航行体减阻问题

在水下兵器发展史上，提高鱼雷和水下射弹的航行速度一直是该领域研究的热点问题。以往研究人员采用优化航行体结构、设计航行体表面涂层、增加和改进动力系统推进方式等常规方法来提高水下航行体速度。研究结果表明，由于水的黏度系数远大于空气，导致水下阻力极大，这些方法很难大幅提高水下航行体的运动速度。20世纪40年代，俄罗斯和乌克兰开展了超空泡航行水动力学基础实验研究工作。如图1-12所示，在航行体表面由头部空 化器开始产生能够几乎包裹航行体的超空泡，导致航行体的阻力系数急剧下降。空化现象的作用不再是产生空蚀破坏，而是对水下航行体起到减阻效果。研究表明，经过超空泡技术改装的水下航行体可获得约90%的减阻量。水下航行体运动速度的极大提升能够对敌方潜艇、鱼雷发动高速攻击和实施有效拦截。目前，随着世界各国对于海上军事主动权的争夺日趋紧张，超空泡技术极具军事应用价值的特点，吸引了各大军事强国的关注。

图1-12　超空泡鱼雷模型

2.航行体垂直出水问题

超空泡技术除了在水下航行体减阻方面的研究和应用，同时也是水下航行体超空泡垂直出水问题的重要组成部分。如图1-13所示，水下航行体垂直发射过程分为3个阶段：出筒段、水中段和出水段。其中，在水中段，随着水下航行体运行速度的增大，航行体表面的局部压力降低。当压力降低至水的饱和蒸汽压时，水发生汽化，形成覆盖航行体的空穴，即自然空化。一方面，由于自然空化形成的空泡不稳定，在航行体运行过程中容易受到外界干扰，发生断裂脱落等现象，因此会给水下航行体带来很大的流体动力载荷；另一方面，由于自然空泡泡内压力很低，航行体出水时，空泡发生溃灭产生很高的溃灭压力，给航行体带来极大的载荷冲击。采用通气空泡来消除自然空化带来的不利影响是水下航行体控制的一项新技术。通过向自然空化形成的空穴中通入不可凝结的气体，来增强空泡的稳定性，提高泡内压力，可极大地改善航行体受到的流体动力载荷和溃灭高压。

图1-13　水下航行体垂直发射运动过程

1.3.3.2　机械工程领域

1.发动机雾化问题

高压喷油器广泛应用于现代柴油机和汽油直喷式发动机，并且在设计上有燃油喷嘴的尺寸小、喷射压力极高等特点（图1-14）。这些特点决定了喷孔的内部流动会出现空化现象，空化的出现是由于低的静压出现在喷嘴的入口角处。尖锐的入口角减少了液流流过的面积，而流速随面积的减小而增加。根据质量守恒和动量守恒预测液体通过颈缩能够引起喷孔喉部的压力降，喷孔喉部的低压将低于液体的饱和蒸汽压而导致空化。理论和实验研究都表明，柴油发动机在喷嘴内部产生的空化能促进燃油的雾化效果，从而有利于提高燃油的利用率和减少污染物的排放。值得注意的是，空化也容易导致喷油器喷嘴和针阀的空蚀磨损。

图1-14　喷油器内部的空化流动

（a）燃油喷嘴；（b）喷孔附近空化现象

2.空化水射流的切割破碎应用

空化水射流的基本原理就是在喷嘴出来的水射流内诱发含有空气、水蒸气或混合气体的气泡初生，适当控制喷嘴直径和靶距，使空泡在运动过程中发展壮大，在射流喷射到靶体时，空泡在射流冲击靶体表面的滞止压力的作用下破碎，产生对靶体的冲击。空化过程中气泡溃灭产生的冲击波和微射流会对其周围的材料形成巨大的冲蚀作用，进而使材料破碎。借助空泡溃灭的巨大力量，可以采用射流对难以通过传统机械加工方式完成的加工需求进行切割和破碎。与普通水射流相比，由于空化水射流中存在的大量空化现象，大大提高了射流对作用物体的切割和破碎能力。因此，空化水射流被广泛地用来替代普通射流进行切割和破碎，以提高水射流加工的效率。在石油、煤炭等矿业钻井工程中，空化水射流的高效破碎特点被广泛利用。通过在钻头或钻杆上增加一个附加的空化装置，从而在射流出口处产生空化水射流，用来直接或辅助机械进行破碎岩石，提高钻井速度（图1-15）。

图1-15　空化水射流切割（图片来源于网络）

3.空化喷射硬化

空化喷射硬化是利用空泡溃灭时作用在材料表面上的冲击力来极大地提高材料的表面性能（图1-16）。由于气泡破裂而产生的冲击波不存在固体冲击，因此又把空化水射流喷丸技术称为无钢珠的空化喷射硬化。通过空化水射流喷丸加工的工件表面比传统加工的表面更光滑。Soyama（1996）等在利用空化水射流提高材料表面性能方面做了开创性的工作，相关研究已经证实作用于材料上的空化水射流可以使材料产生残余压应力，以提高金属材料的疲劳强度和抗腐蚀能力。而且，相比传统的喷丸处理，经过无钢珠空化喷射硬化的金属材料的疲劳强度更高。在实际应用中，通过对合金工具钢JIS SKD61（日本标准）制造的热锻模进行无钢珠空化喷射硬化处理后，模具的寿命提高了约50%。而后，人们又利用空化水射流喷丸技术对不锈钢和铝合金试样进行喷丸试验，结果表明被喷试样表面的疲劳强度比未喷丸的高出20%～50%，证实了该技术能大大提高工件表面疲劳强度，并得出了喷丸时间和表面粗糙度、表面残余应力之间的关系。

图1-16　空化喷射硬化装置示意图（图片来源于文献）

1.3.3.3　生物化学领域

1.水处理问题

近年来，超声空化在水处理中的应用越来越广泛。超声被直接用于饮用水的深度处理中，利用超声空化引起的局部高温高压、冲击波、剪切应力及自由基等作用直接去除水中三氯甲烷前体物、消毒后形成的消毒副产物、持久性有机污染物、藻毒素、有毒有害的难降解有机物、高浓度有机废水以及污泥的处理与处置。当液体中发生超声瞬态空化时，在超声空化泡溃灭的极短时间内，空化泡内部和周围区域将产生1 000 atm（1 atm=101.325 kPa）以上的高压和5 000 K以上的高温，并伴有高速的射流和强烈的冲击波。高强度超声空化对生物细胞的作用过程将产生一系列物理和化学效应（图1-17）。这种强大的物理效应可以用来破碎细胞、剪切生物大分子、从器官组织中提取生物材料等。此外，超声瞬态空化泡溃灭时产生的高温、高压将导致了水热裂解成氢自由基（H·）和氢氧自由基（OH·）等自由基。这些自由基将与新物质反应生成多种活性化学物质，用于酶失活、DNA分解、杀菌和类脂的过氧化等作用。(www.daowen.com)

图1-17　超声空化现象

2.乳化问题

乳化是指一种液体以极微小液滴均匀地分散在互不相溶的另一种液体中的现象。如图1-18所示，油与水在容器中分成两层，密度小的油在上层，密度大的水在下层。若加入适当的表面活性剂，在强烈的搅拌下，油被分散在水中，形成乳状液，该过程称为乳化。研究表明，超声空化和水力空化利用其空化效应和界面不稳定性能有效提高乳化效果和效率，并且该空化技术已经广泛应用于柴油掺水乳化、食品加工以及化妆品生产等领域。

图1-18　高速摄影拍摄结果

（a）粗乳液；（b）乳化0.7 s内出现大量粗乳液射入水中；
（c）乳化6.7 s粗乳液与水的界面基本消失并有大量乳白色液滴；（d）乳化80 s后乳液比较均匀

1.3.3.4　医学领域

1.超声碎石技术

肾结石病是一种常见病，是指在肾脏、输尿管连接部等位置由于不溶于水的盐类析出堆积而形成结石块，从而影响人类身体健康的疾病。肾结石块会对肾脏造成组织损伤，临床症状以绞痛为主要特征，常伴有血尿，甚至会出现肾积水、肾功能减退、肾衰竭等严重病变，危及生命安全。传统的肾结石治疗方式如外科手术、体外冲击波碎石术等都存在副作用大、治疗效果差等弊端。随着超声空化现象的深入研究，越来越多的研究者开始致力于将超声空化应用于肾结石病的体外治疗。该方法具有无创、费用低、安全系数高等特点。如图1-19所示，超声碎石技术可以诱发强烈的空化现象，这种空化现象以空化云的形式出现。当这些空化云作用于肾结石时空化泡破碎产生的高温高压以及微射流将会快速磨蚀肾结石，粉末可达微米级大小，足以快速排出体外。

图1-19　冲击波与肾结石模型相互作用的高速光弹性成像序列及肾结石模型周围流体中的空化现象

2.根管冲洗

根管治疗术是治疗口腔科常见的牙髓病和根尖周病的首选方法，其核心内容是有效控制根管系统内的感染（图1-20）。根管冲洗作为对机械设备盲区的有效补充手段，能够有效去除根管系统内的牙本质碎屑和感染物，提高根管治疗术成功率。现有研究认为，超声根管冲洗的机械冲刷作用主要归因于空化、微声流及两者的耦合作用。振动空泡不仅会破坏玷污层与根管壁之间的吸附作用，也会引起玷污层的疲劳破坏而从根管壁表面脱落。此外，振动的微空泡还能“钻入”裂缝中振动，使玷污层脱落。微声流是指当声波频率接近空泡的固有频率时，空泡进入共振状态，振幅达到极大时产生的二阶现象。微米量级的微声流可使振动空泡表面附近出现极高的速度梯度和剪切应力，能够清除根管壁附着的玷污层与微生物，增加冲洗液的搅拌和扩散作用，加速可溶性污物的溶解，强化化学冲洗剂的清洗作用等。微声流的法向速度分量能够有效阻止清洗下来的冲洗污物附着在根管壁面上。

图1-20　根管治疗（图片来源于网络）

3.高强度聚焦超声治疗

高强度聚焦超声（HIFU）治疗是将体外发射的高频超声聚焦于病变部位组织，使其温度快速达到65℃，从而引起靶点区域发生凝固性坏死、肿瘤组织营养血管闭塞。同时，在HIFU治疗的过程中，大幅度的稀疏压力振幅可以使周围组织在足够张力的前提下，迅速形成充满气体和蒸汽的空腔，而随后的超声波聚焦将使这些气泡产生声空化。高强度超声引起空化效应造成亚细胞器官的小型气体原子核扩张，与声压影响相互协同，导致膜结构（如线粒体膜和细胞核膜）崩溃。如图1-21所示，空化泡还可以在单个细胞中产生明显不同的生物效应，如坏死、汽化或者是穿孔效应。

图1-21　空泡与人子宫颈癌传代细胞（HeLa细胞）的耦合作用

1.3.3.5　自然界中的示例

其实，不光是人类社会，自然界中也不乏动物利用空化现象捕食的示例。如图1-22所示，在海洋中生活着一种鼓虾，它依靠虾钳的猛烈闭合产生一股速度达到112 km/h的高速射流，使附近的流体压力急剧降低，从而在瞬间产生空泡。随着流体压力的恢复，空泡马上溃灭并且产生冲击波和响声，依靠这种冲击波和剧烈响声可以击晕，甚至杀死虾钳前方的小型鱼蟹。庞大的虾群依靠虾钳发出的噪声甚至可以干扰水下通信，因此，潜艇有时会利用近海里的鼓虾群藏身，利用鼓虾群发出的声音来逃避声呐的搜索。除此之外，空化现象也影响着许多其它水生动物的生活。许多大型鱼类的游动速度能够超过15 m/s，因此尾鳍处可能会产生空泡，也会出现类似空蚀的效果。有报道称，海豚游动的速度限制主要来自空化，因为空泡溃灭会让它们觉得疼痛。像金枪鱼这类尾鳍是骨质的鱼类，由于没有神经和疼痛感，据称瞬时最高时速能够达到160 km/h。有学者观察到金枪鱼尾鳍上由于空蚀形成的小坑。相比起鱼类的痛苦不堪，许多聪明的虾类反而把空泡作为它们绝妙的武器。当拥有巨大锤肢的雀尾螳螂虾用巨大的肢端击打猎物时，冲击效果能够产生空泡并利用溃灭高压来攻击，这一方式能够轻易地击碎蟹壳（图1-23）。

图1-22　鼓虾（俗称枪虾）

图1-23　雀尾螳螂虾用锤肢打击贝壳产生空泡溃灭现象