近日，船舶學院副教授李帥的論文《懸浮于異質流體中的液滴內空化氣泡動力學》（《Cavitation bubble dynamics inside a droplet suspended in a different host fluid》）獲2024年度蒙恩-福爾廷森最佳論文獎。該獎項旨在鼓勵船舶與海洋工程結構力學和水動力學領域重要創新成果和技術突破，每年在全球范圍內評選船舶與海洋工程結構力學和水動力學領域最佳論文各1篇。
該論文發表在流體力學頂級期刊《流體力學雜志》（《Journal of Fluid Mechanics》），船舶工程學院流固耦合力學研究團隊自2021年以來已經連續四年斬獲該獎項。
空泡動力學的研究已有超過百年的歷史，其主要應用背景包括螺旋槳空泡剝蝕與噪聲、高速航行體的水動力設計、水力發電等領域，其核心物理特征是空泡在破裂過程中所展現的強大破壞力。近年來，多相流體系統中的空泡動力學逐漸成為研究熱點。這一方向的研究成果在先進制造、爆炸清淤、液滴霧化、超聲清洗、超聲乳化、靶向治療以及食品加工等領域具有廣泛應用潛力。然而，由于多相界面行為的復雜性、跨尺度過程的觀測難度，以及多物理場耦合理論與數值模擬的技術挑戰，該領域的研究仍面臨諸多瓶頸。推動這一領域的發展需要結合實驗觀測、理論建模與數值模擬的多學科交叉研究。
本研究圍繞水-油系統中的空泡動力學特性，開展了理論、實驗和數值模擬相結合的系統研究，建立了同時考慮多相系統中流體密度比和氣泡-液滴幾何尺寸比的氣泡Rayleigh坍塌時間與固有頻率的理論解，拓展了傳統單相流體中氣泡動力學理論的適用范圍。研究發現，在水包油液滴中，空泡潰滅過程中會產生超過300 m/s的高速微射流，并穿透液滴界面，從而實現從油相向水相的物質輸運。相反，當空泡處于油包水液滴中時，空泡會被鄰近的液滴表面擊潰，隨后形成的空泡渦環沿著液滴另一側進行長時間、遠距離的遷移，并導致液滴發生顯著的變形和撕裂現象，從而實現從水相向油相的物質輸運。這兩種由空泡引發的物質輸運機制為空泡動力學和多相流體動力學提供了全新的物理視角和研究基礎，對相關領域的理論發展與實際應用具有重要意義。