Forscher simulieren den Kollaps einer Blase in der Nähe von schwingenden Wänden

Die Blasendynamik spielt eine bedeutende Rolle in der Mechanik, Chemie, Medizin und Biologie. Das Verständnis ihrer Wechselwirkungen mit den umgebenden Wänden des Behälters ist für zahlreiche Anwendungen von entscheidender Bedeutung, darunter Kavitationserosion, Unterwasserexplosion, Ultraschallreinigung, Stoßwellenlithotripsie (zur Behandlung von Nierensteinen) und nadelfreie Strahlinjektion.

Infolgedessen haben Forscher das Blasenverhalten sowohl experimentell als auch theoretisch (durch numerische Simulationen) untersucht. Solche Studien haben jedoch die Behälterwände weitgehend als starr angesehen, und ihre Ergebnisse sind unzureichend für Fälle, in denen schwingende Wände – ein wesentlich komplexeres Verhalten – wie Erosion, Kavitation und Mikrojet-Strömungssteuerung involviert sind.

Um dieses Problem anzugehen, untersuchte ein Team von Forschern aus Vietnam und Korea unter der Leitung von Prof. Warn-Gyu Park von der Pusan ​​National University (PNU) in Korea numerisch den Kollaps einer kugelförmigen Blase, die durch eine Rayleigh-Kollapszeit TR in der Nähe einer starren Wand gekennzeichnet ist Schwingen mit großer Amplitude (größer als ein Prozent des Blasenradius). Ihre Arbeit wurde am 14. Dezember 2022 online verfügbar gemacht und in veröffentlicht Physik der Flüssigkeiten.

„Der Blasenkollaps wurde mithilfe eines kompressiblen Zweiphasen-Strömungsmodells, nämlich Wasser und Dampf, und der Technik des Interphase-Sharpening des Volumens der Flüssigkeit simuliert. Außerdem verwendeten wir ein sich bewegendes Gitterschema und eine Sinusfunktion, um die Wandoszillationen darzustellen“, erklärt er Herr Quang-Thai Nguyen, ein Ph.D. Student an der PNU und Erstautor der Studie. „Dann haben wir die Vorhersagen unseres Modells mit experimentellen Daten zu Blasen und ihrer Dynamik in der Nähe fester Wände verifiziert. Anschließend wurde der Fall von schwingenden Wänden betrachtet.“

In ihrem Zwei-Phasen-Modell simulierten die Forscher, dass sich die Wände zunächst entweder auf die Blase zu (gleichphasig) oder von ihr weg (außer Phase) bewegten. Während die gleichphasige Wandbewegung die Blasenoberfläche komprimierte und zu einem hohen Innendruck führte, geschah im außerphasigen Fall das Gegenteil. In beiden Fällen brach die Blase jedoch schneller und heftiger zusammen als beim Fixed-Wall-Szenario. Es wurden auch eine signifikante Strahlbildung und höhere Druckspitzen beobachtet. Die Kollapszeiten waren jedoch in jedem Fall unterschiedlich – 0,0 TR für gleichphasige und 1,0 TR für außerphasige Bewegung.

Darüber hinaus bestimmten die Forscher die Auswirkung des Verhältnisses von Wandoszillationsamplitude zu Blasenradius und Wandoszillationszeitraum zu TR auf das Blasenverhalten, nämlich seine Größe, Kollapszeit und Migration, und den Einfluss des Wandstoßes, nämlich die Strömung Geschwindigkeit und Aufpralldruck. Die Simulation zeigte mehrere Merkmale, darunter einen kritischen Punkt für das In-Phase-Szenario für einen Oszillationsamplituden-zu-Blasen-Radius von 0,5.

Während diese Ergebnisse an sich interessant sind, haben sie Anwendungen, die über die Erweiterung des Wissens über Blasen-Wand-Wechselwirkungen hinausgehen. „Sie werden zur Entwicklung neuer Technologien in der Industrietechnik beitragen und Anwendungen im Labormaßstab in den kommerziellen Betrieb überführen. Beispielsweise könnten die in unserer Studie beobachteten hohen Werte der maximalen Strahlströmungsgeschwindigkeit und der Spitzenaufpralldrücke dazu beitragen, die bestehende Mikrostrahlrichtung aufzulösen und Kavitationserosionskontrollproblemen“, sagt Prof. Park.

„Darüber hinaus kann die fortschrittliche numerische Methode erweitert werden, um mehrphasige kompressible Strömungen in Bereichen wie erneuerbare Energien, Biowissenschaften und Biomedizin sowie Hochgeschwindigkeitsgeschosse zu analysieren“, schließt er.