在长途航行过程中，诸如藤壶和藻类等海洋生物污损不可避免地会在船体上积累（图1）。这种积累显著增加了表面粗糙度和流体动力阻力，导致燃料消耗增加和运营成本上升（Townsin, 2003; Schultz et al., 2011）。虽然防污涂层是主要的防护措施，但它们在耐久性和环境方面存在局限性（Leonardi and Ober, 2019）。因此，水下清洁机器人已成为重要的维护解决方案（Madanipour and Najafi, 2023）。然而，传统的清洁方法在处理复杂的船体几何形状（如螺旋桨、舵和龙骨）时往往效率低下且适应性差。作为一种有前景的替代方案，空化射流由于其强烈的冲击力和非接触特性，在清洁复杂表面方面表现出更好的性能和适应性（Fang et al., 2023）。在清洁船体时，空化射流无需直接机械接触，这大大减少了保护涂层的机械磨损以及有害物质的释放，相比传统的旋转刷等水下清洁技术（Dong et al., 2022; Kalumuck et al., 1997; Song and Cui, 2020）。
空化射流的清洁机制依赖于高速水下射流产生的局部压力降。当局部压力降至饱和蒸汽压力以下时，会形成空化气泡并聚集成空化云。这些云体向下游输送，并表现出高度不稳定的行为，包括脱落、生长和崩塌（Chen et al., 2013）。当空化云冲击船体等固体表面时，空化气泡在表面附近剧烈崩塌，释放能量并产生微射流，对结构施加强烈的流体动力冲击（Yao et al., 2022）。与传统水射流相比，空化射流产生更大的冲击强度和更好的清洁效果，因此被广泛应用于海洋工程设备（如船舶）的水下维护（Huang et al., 2024; Zhou et al., 2017）。据此，Zhu等人开发了一个等效的藤壶附着模型，并通过实验和数值模拟证明，当高频径向力和交替切向力同时作用时，清洁效果最佳（Zhu et al., 2025）。Ahn等人利用田口方法确定泵压是影响清洁效率的主要因素（Ahn et al., 2024）。Huang等人分析了喷嘴对射流性能的影响，并基于实验和模拟设计了一种自旋转清洁装置（Huang et al., 2024）。为了进一步提高清洁效果，Zhong等人将超声空化发生器与空化射流结合使用，并通过质量损失测量表明超声发生器增加了射流的侵蚀强度（Zhong et al., 2022a）。
在水下船舶清洁中，空化射流需要较高的清洁效率以确保经济可行性，因此提高空化性能是一个关键的工程问题（Cai et al., 2020）。空化射流的清洁效率受多个参数影响，包括入口压力、喷嘴几何形状和距离高度。较高的入口压力增强了剪切层并促进了空化的产生（Nishimura et al., 2012）。此外，喷嘴几何形状也会影响空化：Liu等人通过模拟表明空化云脱落频率随喷嘴形状变化（Liu et al., 2024b），而Wright等人强调了喷嘴出口直径对射流速度、云体几何形状、传播距离、脉动频率和整体空化性能的影响（Wright et al., 2013）。Xu等人表明喉部和共振腔尺寸改变了射流中的相干结构，如云体长度和演变周期（Xu et al., 2024）。Wang等人表明有机管喷嘴显著增强了空化效果，模拟显示出口附近的涡度增加（Wang et al., 2021）。Chen等人优化了有机管喷嘴参数，并通过实验证明优化设计显著提高了空化性能（Chen et al., 2024）。Cui等人测量了不同距离高度下的侵蚀环大小，发现较高的入口压力显著提高了空化强度和侵蚀性能（Cui et al., 2024）。
在船体清洁应用中，过小的距离高度可能会损坏船体表面，而过大的距离高度则会显著降低清洁效率。因此，Peng等人结合了高速可视化和侵蚀实验，表明控制目标质量损失的主要机制随距离高度而变化，只有当空化云崩塌强度和气泡浓度平衡良好时，才能实现最佳侵蚀效果（Peng et al., 2018）。Pan等人系统研究了不同空化数和距离高度下自激空化射流的侵蚀强度，表明不同的距离高度对应不同的工程应用场景（Pan et al., 2020）。此外，Li等人报告称适当的距离高度有助于在目标表面附近形成更多的空化云，从而提高侵蚀效果（Li et al., 2024）。
在水下船舶清洁过程中，被清洁的表面通常是不平坦的。研究表明，目标几何形状显著影响空化性能，从而导致侵蚀行为的变化（Li et al., 2016）。当空化云冲击表面时，它会径向扩散，形成环形侵蚀模式。这些模式的大小和由此产生的质量损失常用于评估云体的侵蚀强度（Soyama, 2017）。Hutli等人证明侵蚀强度随距离高度显著变化，最佳高度可最大化侵蚀效率（Hutli et al., 2013）。不同距离高度下的流动演变差异显著影响侵蚀强度（Soyama and Lichtarowicz, 1998）。为了研究空化云在目标表面的流动演变，Fujisawa等人利用高速成像观察到目标表面的存在改变了空化射流的流场和冲击波传播（Fujisawa et al., 2018）。POD分析进一步显示凹面和平板目标上的流动演变存在显著差异（Liu et al., 2024a）。
当空化射流冲击曲面时，产生的流场通常比平板上的更为复杂。然而，在管道和套管清洁等实际应用中，空化射流操作仍主要基于平板条件下的流动特性进行。这种不匹配突显了深入理解空化射流与凹面相互作用时的流动和侵蚀行为的必要性。Wang等人利用数值模拟研究了曲率半径对空化流场的影响，发现较小的曲率半径会导致各向异性的空化云扩展和凹腔内的更明显再循环（Wang et al., 2024）。Liu等人对平板和曲面目标进行了高速可视化实验，发现曲面上的空化流中的小尺度结构比平板上更加分散和无序，同时平板目标上的质量损失更大（Liu et al., 2024a）。针对凸面，Wang等人提出空化云生成和脱落频率与平板上的相似，而凹面上的空化发展受到局部升压的限制（Wang et al., 2025）。
尽管已经初步识别出凹面上的再循环和高压现象（Liu et al., 2024a; Wang et al., 2024），但现有研究主要集中在空化云的崩塌上。不同距离高度下空化云的详细演变过程，包括云体脱落、崩塌和壁面扩散，以及它们与侵蚀形态和侵蚀范围的内在关系尚未得到系统研究。因此，在以往研究的基础上，本研究通过侵蚀实验和高速可视化技术阐明了空化射流冲击凹面时独特的侵蚀机制。
