流体的空化现象通常对水力机械产生空蚀破坏效果,水力机械运行工况一般为泥沙环境,此环境下颗粒冲击侵蚀和空化空蚀综合作用会加快设备空蚀进程,严重缩短其寿命。针对含沙环境中空蚀作用过程复杂、损伤严重的问题,采用可控性好、球对称性强的激光空化技术可以有效的分析含沙条件下材料表面的空蚀机制。本文以实验研究为主,构建了激光诱导空化实验平台,将实验平台与高速摄影技术相结合,研究沙水环境中无限域及固壁面两种结构下激光诱导空泡的脉动特性;采用纯铝材料作为沙水环境激光诱导空化的研究对象,通过表面性能分析材料空蚀效果;在此基础上研究并获得了沙水环境中沙粒及空泡对材料表面空蚀作用机制。主要的研究内容及结果如下:(1)理论分析了空泡的产生机理,并以空泡动力学为基础,对空泡初生和脉动过程的影响因素进行探究;研究了空泡在固壁面附近脉动时产生冲击波及微射流的力学效应,同时对两种损伤机制的作用强度大小进行分析;为空泡的脉动规律及近壁面条件下空化空蚀的实验研究提供了理论依据。(2)采用高速摄影技术获取了无限域及固壁面两种结构下空泡脉动序列图,分析了两种结构下沙粒对空泡脉动的影响。重点探讨了空泡数量、最大半径及脉动周期随激光能量及沙粒浓度的变化趋势。实验结果表明,在无限域中,沙粒能降低液体击穿阈值,增加空泡数量;在无限域和固壁面两种结构下,随着激光能量的增大,空泡的最大半径及脉动周期均呈现增大的趋势,随着沙粒浓度的增大而减小,但无限域中沙粒浓度为1.0%时会出现局部峰值。(3)通过实验获得了沙水环境下激光诱导空化对纯铝表面的空蚀作用,表征分析了激光能量及沙粒浓度对纯铝表面微观形貌、粗糙度、残余应力及硬度的影响。结果表明:激光能量和沙粒浓度的增加均能缓解纯铝表面空蚀形貌,使材料表面塑性变形减小,同时沙粒的冲击作用会降低材料表面粗糙度;材料表面的力学性能随着激光能量和沙粒浓度增大而提高,表明激光空化与沙粒侵蚀的复合作用效果要大于空泡空蚀的单一作用。(4)将沙水环境中空泡的脉动特性及纯铝表面的空蚀性能研究相结合,建立了沙水环境中激光诱导空化及颗粒冲击侵蚀模型,揭示了不同沙粒浓度下纯铝表面空蚀作用机制。总结获得了在一定沙粒的浓度范围内,颗粒冲击侵蚀一定程度上能够缓解纯铝表面形态并提高力学性能。