［本站讯］近日，前沿交叉科学青岛研究院极端条件热物理团队围绕冲击波与空化动力学开展系列研究，连续发表6篇研究论文，在气泡溃灭、高速射流、壁压载荷及空蚀机理等方面取得新进展，系统揭示了气泡初始相位、冲击波传播方向与压力波形、流体黏弹性及气泡间相互作用等因素对近壁气泡坍塌与射流动力学的协同调控机制，为深入理解流体机械、超声清洗与冲击波治疗等领域中的空蚀现象提供了理论依据与参数化准则。相关成果分别发表于期刊International Journal of Multiphase Flow、Applied Physics Letters、Physics of Fluids，山东大学为第一作者和通讯作者单位。

图1 冲击波与近壁单气泡及串联气泡相互作用示意图及流场演化结果

针对平面固壁附近冲击波与不同相位气泡的相互作用过程进行了数值模拟研究。研究成果以“On the transient dynamics of shock wave interaction with an expanding/shrinking bubble near a solid boundary: a numerical study”为题，发表于国际期刊International Journal of Multiphase Flow ，论文第一作者为2023级硕士研究生李博，通讯作者为项高明研究员和刘林华教授。研究发现，气泡溃灭强度和流体射流形式受气泡相位、近壁距离和冲击波强度协同调控。初始收缩气泡坍塌造成的壁压峰值随η线性增长并显著高于膨胀相，较无冲击波工况提高约三个数量级，最高可达41.7 GPa。在此基础上，2026年8月，团队在International Journal of Multiphase Flow 发表题为“Numerical investigation on the transient dynamics of shock wave interaction with tandem bubbles near a solid boundary”的研究论文，论文第一作者为2025级硕士研究生沈鑫鑫，通讯作者为项高明研究员和刘林华教授。该研究将研究拓展至串联气泡，将其在冲击波与壁面共同作用下的响应分为气泡融合、串联溃灭和气泡屏蔽三种模式，发现气泡间距和近壁距离显著调控壁面载荷，特定条件下双气泡“屏蔽效应”可使壁面压力降低约一个数量级，并观察到水锤冲击波和二次冲击波引起的三个压力峰。该工作为预测水力机械空蚀及优化体外冲击波碎石术提供了机理模型与参数化准则。

图2 平面撞击型冲击波和柱形扫掠型冲击波作用下近壁气泡动力学对比

2025级硕士研究生吴宇涵以第一作者在 Physics of Fluids 发表“On the transient dynamics of shock wave-bubble interaction near a solid boundary: Influence of the pressure waveform and standoff distance”，对比碎石冲击波与爆炸冲击波，发现爆炸冲击波因脉冲持续时间更长，可在相同近壁距离下产生更高射流速度和壁面压力，壁压峰值可达1.5 GPa；碎石冲击波下最大射流速度随近壁距离呈非单调变化，爆炸冲击波下则单调增大并服从标度律。随后，他在 Applied Physics Letters 发表“Micro-jet dynamics during shock wave interaction with wall-proximal bubbles: Effects of an incident impinging vs glancing shock wave”，进一步比较平面冲击波与汇聚冲击波，发现平面冲击波更易诱导定向高速射流，汇聚冲击波则通过几何聚焦提前触发气泡溃灭；相同压力幅值下，平面冲击波诱导的最大射流速度更高，Kelvin冲量分析给出了射流方向与强度差异的物理判据。两篇工作从压力波形到入射方式，形成了对冲击波加载条件的系统认识。

图3 黏弹性流体中近壁气泡溃灭与射流模式演化

2024级硕士研究生武浩东以第一作者在 Physics of Fluids 发表“On the transient dynamics of shock wave-bubble interaction near a solid boundary in viscoelastic fluids: A numerical study”，采用 Oldroyd-B 和 FENE-P 本构模型，揭示聚合物弹性对气泡坍塌的延迟效应及对壁压时空分布的影响：黏弹性使气泡坍塌时间延长，但壁压作用范围更大、持续时间更长，FENE-P 模型的非线性弹性效应尤为显著；近壁距离较小时，黏弹性流体中的射流速度和壁压峰值甚至略高于牛顿流体，随着近壁距离增大，黏弹性影响逐渐减弱。随后，他在 Applied Physics Letters 发表“Viscoelastic effect on the dynamics of high-speed needle jets generated during bubble collapse in proximity to a solid boundary”，聚焦小近壁距离下的针状射流，发现随近壁距离增大，会依次出现径向汇聚针状射流、倾斜汇聚针状射流、同心环状射流和中心常规射流四种模式；黏弹性会减小针状射流形成的临界近壁距离，并显著降低射流速度和壁压峰值，为冲击波碎石和无针注射提供了理论参考。

上述系列研究由前沿交叉科学青岛研究院极端条件热物理团队牵头完成，项高明研究员担任通讯作者并提供指导。该系列研究系统揭示了气泡初始相位、冲击波传播方向与压力波形、流体黏弹性及气泡间相互作用对近壁气泡溃灭与射流动力学的协同调控机制，为水力机械空蚀防护、体外冲击波碎石术和无针注射等提供了理论依据与参数化准则。

项高明研究员在极端条件流动与传热领域开展跨学科交叉研究，研究成果先后发表于J. Fluid Mech., Appl. Phys. Letter,Int. J. Multiphase. Flow, Phys. Fluids, Ultrason. Sonochem. Adv. Funct. Mater., Aerosp. Sci. Technol.等期刊。相关研究工作得到了国家自然科学基金、山东省自然科学基金、山东省“泰山学者”青年专家、山东大学齐鲁青年学者等项目的大力支持。