Зависимость воздействия кавитационного пузырька на тело от давления жидкости
Институты и факультеты
Главная \ Наука \ Научные издания КФУ \ Ученые записки Казанского университета \ Ученые записки Казанского университета. Серия Физико-математические науки \ Архив

Зависимость воздействия кавитационного пузырька на тело от давления жидкости

А.А. Аганин, Т.С. Гусева, Л.А. Косолапова, Н.А. Хисматуллина

Институт механики и машиностроения ФИЦ Казанский научный центр РАН, г. Казань, 420111, Россия


Полный текст PDF

DOI: 10.26907/2541-7746.2019.2.165-180

Для цитирования: Аганин А.А., Гусева Т.С., Косолапова Л.А., Хисматуллина Н.А. Зависимость воздействия кавитационного пузырька на тело от давления жидкости // Учен. зап. Казан. ун-та. Сер. Физ.-матем. науки. – 2019. – Т. 161, кн. 2. – С. 165–180. – doi: 10.26907/2541-7746.2019.2.165-180.

For citation: Aganin A.A., Guseva T.S., Kosolapova L.A., Khimatullina N.A. Dependence of cavitation bubble impact onto a body on liquid pressure. Uchenye Zapiski Kazanskogo Universiteta. Seriya Fiziko-Matematicheskie Nauki, 2019, vol. 161, no. 2, pp. 165–180. doi: 10.26907/2541-7746.2019.2.165-180. (In Russian)


Аннотация

Выполнено численное исследование влияния давления жидкости на параметры ударного воздействия кавитационного пузырька на поверхность тела. Жидкостью является вода, материалом тела – медно-никелевый сплав. Пузырек изначально сферический (ра- диуса 1 мм), касается тела, заполнен паром в состоянии насыщения. Давление жидко- сти pL варьируется в диапазоне от 1 до 7 бар. Воздействие на тело реализуется по- средством удара кумулятивной струи, возникающей на поверхности пузырька при его коллапсе. Основное внимание направлено на изучение кратковременной начальной фазы удара, когда максимум давления на стенке имеет порядок давления гидроудара. Показано, что с увеличением pL скорость кумулятивной струи возрастает от 115 до 317 м/с, а ее радиус – от 38 до 43 мкм. Во всем рассматриваемом диапазоне pL начальная стадия удара кумулятивной струи развивается подобно известному в литературе случаю удара сфери- ческой капли. В самом начале удара струи давление на поверхности тела достигает уровня давления гидроудара pwh . Со временем давление на поверхности тела в центре области удара монотонно уменьшается, тогда как на ее периферии сначала растет до уровня, при- мерно в 2.5pwh , а затем монотонно снижается. В самом начале удара деформации в теле в центральной зоне области воздействия струи являются упругими при pL = 1 бар и пластическими при pL = 4 и 7 бар. Со временем они становятся пластическими и при pL = 1 бар. С увеличением pL размеры зоны пластических деформаций значительно воз- растают, сильно меняется ее геометрия. В результате удара струи на поверхности тела возникает круговая микровмятина с небольшим кольцевым выступом на краю. По мере увеличения pL микровмятина становится все более выраженной, заметно возрастает ее глубина.

Ключевые слова: кавитация, коллапс пузырька вблизи тела, кумулятивная струя жидкости, удар жидкости по телу, динамика упруго-пластического тела

Благодарности. Работа выполнена при поддержке РФФИ (проект № 16-01- 00433).

Литература

  1. Kornfeld M., Suvorov L. On the destructive action of cavitation // J. Appl. Phys. – 1944. – V. 15, No 6. – P. 495–506. – doi: 10.1063/1.1707461.
  2. Preece C.M. Cavitation erosion // Preece C.M. (Ed.) Erosion. – N. Y.: Acad. Press, 1979. – P.  208–301.
  3. Arndt R.E.A. Cavitation in fluid machinery and hydraulic structures // Annu. Rev. Fluid Mech. – 1981. – V. 13. – P. 273–328. – doi: 10.1146/annurev.fl.13.010181.001421.
  4. Brennen C.E. Hydrodynamics of Pumps. – Oxford Univ. Press, 1994. – 293 p.
  5. Terwisga T.J.C., Wijngaarden E., Bosschers J., Kuiper G. Cavitation research on ship propellers a review of achievements and challenges // Int. Shipbuild. Prog. – 2007. – V. 54, No 2–3. – P. 165–187.
  6. Ohl C.-D., Arora M., Ikink R., Jong N., Versluis M., Delius M., Lohse D. Sonoporation from jetting cavitation bubbles // Biophys. J. – 2006. – V. 91, No 11. – P. 4285–4295. – doi: 10.1529/biophysj.105.075366.
  7. Skolarikos A., Alivizatos G., de la Rosette J. Extracorporeal shock wave lithotripsy 25 years later: Complications and their prevention // Eur. Urol. – 2006. – V. 50, No 5. – P. 981–990. – doi 10.1016/j.eururo.2006.01.045.
  8. Guoa Sh., Khoo B.Ch., Teob S.L., Lee H.P. The effect of cavitation bubbles on  the removal of juvenile barnacles //Colloids Surf., B. – 2013. – V. 109. – P. 219–227. – doi: 10.1016/j.colsurfb.2013.03.046.
  9. Brennen C.E. Cavitation in medicine //  Interface  Focus.  –  2015.  –  V.  5,  No  5.  – Art. 20150022, P. 1–12. – doi: 10.1098/rsfs.2015.0022.
  10. Mason T.J. Ultrasonic cleaning: An historical perspective // Ultrason. Sonochem. – 2016. – V. 29. – P. 519–523. – doi: 10.1016/j.ultsonch.2015.05.004.
  11. Bourne N.K. On impacting liquid jets and drops onto polymethylmethacrylate targets // Proc. R. Soc. A. – 2005. – V. 461. – P. 1129–1145. – doi: 10.1098/rspa.2004.1440.
  12. Shaw S.J., Jin Y.H., Schiffers W.P., Emmony D.C. The interaction of a single laser- generated cavity in water with a solid surface // J. Acoust. Soc. Am. – 1996. – V. 99, No 5. – P. 2813–2824.
  13. Isselin J.-C., Alloncle A.-P., Autric M. On laser induced single bubble  near a solid boundary: Contribution to the understanding of erosion phenomena // J. Appl. Phys. – 1998. – V. 84, No 10. – P. 5766–5771.
  14. Аганин А.А., Гусева Т.С.,  Косолапова Л.А., Малахов В.Г., Хисматуллина Н.А. Мо- делирование импульсного воздействия кавитационных пузырьков на тело // Изв. УНЦ РАН. – 2014. – № 2. – С. 53–61.
  15. Aganin A.A., Guseva T.S., Kosolapova L.A., Khismatullina  N.A.  The  calculation  of weakly nonspherical cavitation bubble impact on a solid // IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. – 2016. – V. 158, No 1. – Art. 012003, P. 1–6. – doi: 10.1088/1757- 899X/158/1/012003.
  16. Аганин А.А., Косолапова Л.А., Малахов В.Г. Численное моделирование эволюции пузырька газа в жидкости вблизи твердой стенки // Матем. моделирование. – 2017. – Т. 29, № 7. – С. 15–28.
  17. Аганин А.А., Гусева Т.С. Численное моделирование удара струи по стенке // Матем. моделирование. – 2017. – Т. 29, № 3. – С. 123–138.
  18. Аганин А.А., Хисматуллина Н.А. Расчет двумерных возмущений в упругом теле // Учен. зап. Казан. ун-та. Сер. Физ.-матем. науки. – 2017. – Т. 159, кн. 2. – С. 143–160.
  19. Plesset M.S., Chapman R.B. Collapse of an initially spherical vapour cavity in the neigh- bourhood of a solid boundary // J. Fluid Mech. – 1971. – V. 47, Pt. 2. – P. 283–290.
  20. Philipp A., Lauterborn W. Cavitation erosion by single laser-produced bubbles // J. Fluid Mech. – 1998. – V. 361. – P. 75–116.
  21. Воинов О.В., Воинов В.В. О схеме захлопывания кавитационного пузырька около стенки и образования кумулятивной струи // Докл. АН СССР. – 1976. – Т. 227, № 1. – С. 63–66.
  22. Blake J.R., Taib B.B., Doherty G. Transient cavities near boundaries // J. Fluid Mech. – 1986. – V. 170. – P. 479–497.
  23. Аганин А.А., Ильгамов М.А., Косолапова Л.А., Малахов В.Г. Динамика кавитационного пузырька вблизи твердой стенки // Теплофизика и аэромеханика. – 2016. – Т. 23, № 2. – С. 219–228.
  24. Аганин А.А., Гусева Т.С., Косолапова Л.А., Малахов В.Г. Ударные волны в жидкости при импульсном воздействии кавитационного пузырька на жесткую стенку // Учен. зап. Казан. ун-та. Сер. Физ.-матем. науки. – 2015. – Т. 157, кн. 2. – С. 5–19.
  25. Аганин А.А., Гусева Т.С., Косолапова Л.А. Воздействие кавитационного пузырька на стенку // Изв. вузов. Авиац. техника. – 2017. – № 3. – С. 67–72.
  26. Аганин А.А., Гусева Т.С. Численное моделирование динамики неоднородных сжимаемых сред на основе метода CIP-CUP на адаптивных Soroban-сетках // Учен. зап. Казан. ун-та. Сер. Физ.-матем. науки. – 2014. – Т. 156, кн. 2. – С. 55–71.
  27. Yabe T., Xiao F., Utsumi T. The constrained interpolation profile method for multiphase analysis // J. Comput. Phys. – 2001. – V. 169, No 2. – P. 556–593. – doi: 10.1006/jcph.2000.6625.
  28. Yabe T., Wang P.Y. Unified numerical procedure for compressible and incompressible fluid // J. Phys. Soc. Jpn. – 1991. – V. 60, No 7. – P. 2105–2108.
  29. Takizawa K., Yabe T., Tsugawa Y., Tezduyar T.E., Mizoe H. Computation of freesurface flows and fluid-object interactions with the CIP method based on adaptive meshless Soroban grids // Comput. Mech. – 2007. – V. 40, No 1. – P. 167–183. – doi: 10.1007/s00466-006-0093-2.
  30. Аганин А.А., Хисматуллина Н.А. Схемы второго порядка точности для расчета динамики возмущений в упругом теле // Труды Ин-та механики им. Р.Р. Мавлютова УНЦ РАН. – 2017. – Т. 12, № 1. – С. 44–50.
  31. Ильгамов М.А., Гильманов А.Н. Неотражающие условия на границах расчетной области. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2003. – 240 с.
  32. Уилкинс М.Л. Расчет упруго-пластических течений // Вычислительные методы в гидродинамике. – М.: Мир, 1967. – С. 212–263.
  33. Rein M. Phenomena of liquid drop impact on solid and liquid surfaces // Fluid Dyn. Res. – 1993. – V. 12, No 2. – P. 61–93. – doi: 10.1016/0169-5983(93)90106-K.
  34. Lesser M.B. Thirty years of liquid impact research: A tutorial review // Wear. – 1995. – V. 186–187, Pt. 1. – P. 28–34. – doi: 10.1016/0043-1648(95)07190-3.
  35. Field J.E. ELSI conference: invited lecture Liquid impact: theory, experiment, applications // Wear. – 1999. – V. 233–235. – P. 1–12. – doi: 10.1016/S0043-1648(99)00189-1Поступила в редакцию 19.07.18

Поступила в редакцию 19.07.18


Аганин Александр Алексеевич, доктор физико-математических наук, профессор, заведующий лабораторией
Институт механики и машиностроения ФИЦ Казанский научный центр РАН
ул. Лобачевского, д. 2/31, г. Казань, 420111, Россия
E-mail: aganin@kfti.knc.ru


Гусева Татьяна Сергеевна, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник
Институт механики и машиностроения ФИЦ Казанский научный центр РАН
ул. Лобачевского, д. 2/31, г. Казань, 420111, Россия
E-mail: ts.guseva@mail.ru


Косолапова Людмила Александровна, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник
Институт механики и машиностроения ФИЦ Казанский научный центр РАН
ул. Лобачевского, д. 2/31, г. Казань, 420111, Россия
E-mail: kosolapova@kfti.knc.ru


Хисматуллина Наиля Абдулхаевна, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник
Институт механики и машиностроения ФИЦ Казанский научный центр РАН
ул. Лобачевского, д. 2/31, г. Казань, 420111, Россия
E-mail: nailya_hism@mail.ru


Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


Версия для печати Версия для печати
Ключевые слова: Аганин, Ученые записки
Вход в личный кабинет
Ваш логин
Ваш пароль
Забыли пароль? Регистрация