Влияние температуры жидкости на сильное сжатие кавитационного пузырька

А.А. Аганин, Т.Ф. Халитова

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

Полный текст PDF
DOI: 10.26907/2541-7746.2019.1.53-65

Для цитирования: Аганин А.А., Халитова Т.Ф. Влияние температуры жидкости на сильное сжатие кавитационного пузырька // Учен. зап. Казан. ун-та. Сер. Физ.- матем. науки. – 2019. – Т. 161, кн. 1. – С. 53–65. – doi: 10.26907/2541-7746.2019.1.53-65.

For citation: Aganin A.A., Khalitova T.F. Effect of the liquid temperature on strong compression of a cavitation bubble. Uchenye Zapiski Kazanskogo Universiteta. Seriya Fiziko-Matematicheskie Nauki, 2019, vol. 161, no. 1, pp. 53–65. doi: 10.26907/2541- 7746.2019.1.53-65. (In Russian) 

Аннотация

Изучено влияние температуры жидкости (ацетона) на процесс сжатия пара в полости коллапсирующего кавитационного пузырька. Давление жидкости составило 50 бар, температура варьировалась в диапазоне от 273.15 до 419 К. В начале коллапса пар в пузырьке находился в состоянии насыщения, радиус пузырька 500 мкм. Использована математическая модель, в которой динамика жидкости и пара описывается уравнениями газовой динамики с учетом нестационарной теплопроводности, испарения/конденсации на межфазной поверхности, широкодиапазонных уравнений состояния. Метод расчета основан на TVD-модификации схемы Годунова второго порядка точности по пространству и времени. Выявлено, что по мере уменьшения температуры жидкости в рассматриваемом диапазоне последовательно реализуются пять сценариев сжатия: близкое к однородному; со схождением одной изэнтропической волны; со схождением одной ударной волны; со схождением одной изэнтропической и одной ударной волны; со схождением двух ударных волн. Установлено, что с уменьшением температуры жидкости максимальные давления и плотности пара, достигаемые на границе малой центральной области пузырька (горячего ядра с радиусом менее 2.5 мкм) до момента фокусировки первой ударной волны, монотонно возрастают, тогда как максимум температуры растет немонотонно.

Ключевые слова: акустическая кавитация, сжатие пузырька, сходящиеся ударные волны

Благодарности. Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда (проект № 17-11-01135).

Литература

1. Lauterborn W., Kurz T. Physics of bubble oscillations // Rep. Prog. Phys. – 2010. – V. 73, No 10. – Art. 106501, P. 1–88. – doi: 10.1088/0034-4885/73/10/106501.

2. Tomita Y., Shima A. High-speed photographic observations of laser-induced cavitation bubbles in water // Acustica. – 1990. – V. 71, No 3. – P. 161–171.

3.Taleyarkhan R.P., West C.D. , Cho J.S., Lahey R.T.  Jr., Nigmatulin R.I., Block R.C. Evidence for nuclear emissions during acoustic cavitation // Science. – 2002. – V. 295. – P. 1868–1873. – doi: 10.1126/science.1067589 .

4. Губайдуллин А.А., Болдырева О.Ю., Дудко Д.Н. Распространение возмущений давления в насыщенной пузырьковой жидкостью пористой среде // Учен. зап. Казан. ун.-та. Сер. Физ.-матем. науки. – 2015. – Т. 157, кн 1. – С. 101–106.

5. Галимов Э.М., Кудин А.М., Скоробогатский В.Н., Плотниченко В.Г., Бондрев О.Л., Зарубим Б.Г., Страздовский В.В., Аронин А.С., Фисенко А.В., Быков И.В., Баринов А.Ю. Экспериментальное подтверждение синтеза алмаза в процессе кавитации // Докл. РАН. – 2004. – Т. 395, № 2. – С. 187–191.

6. Suslick K.S. Sonochemistry // Science. – 1990. – V. 247. – P. 1439–1445. – doi: 10.1126/science.247.4949.1439.

7. Баранчинков А.Е., Иванов В.К., Третьяков Ю.Д. Сонохимический синтез неорганических материалов // Усп. химии. – 2007. – Т. 76, № 2. – С. 133–151.

8. Nigmatulin R.I, Akhatov I.Sh., Topolnikov A.S., Bolotnova R.Kh., Vakhitova N.K., Lahey R.T. (Jr.), Taleyarkhan R.P. The theory of supercompression of vapor bubbles and nanoscale thermonuclear fusion // Phys. Fluids. – 2005. – V. 17, No 10. – Art. 107106, P. 1–31. – doi: 10.1063/1.2104556.

9. Нигматулин Р. И., Аганин А.А., Ильгамов М.А., Топорков Д.Ю. Сильное сжатие пара в кавитационных пузырьках в воде и ацетоне // Вестн. Башк. ун-та. – 2017. – Т. 22, № 3. – С. 580–585.

10. Аганин А.А., Ильгамов М.А. Динамика газового пузырька при возбуждении импульсами сжатия и разрежения в жидкости // Докл. РАН – 2002. – Т. 382, № 2. – С. 176–180.

11. Аганин А.А., Халитова Т.Ф. Деформация ударной волны при сильном сжатии несферических пузырьков // Теплофизика высоких температур. – 2015. – Т. 53, № 6. – С. 923–927. – doi: 10.7868/S0040364415050014.

12. Аганин А.А., Халитова Т.Ф. Сильное сжатие среды в сфероидальном кавитационном пузырьке // Учен. зап. Казан. ун.-та. Сер. Физ.-матем. науки. – 2015. – Т. 157, № 1. – С. 91–100.

13. Аганин А.А., Ильгамов М.А., Топорков Д.Ю. Зависимость сжатия пара в кавитационных пузырьках в воде и ацетоне от давления жидкости // Вестн. Башк. ун-та. – 2015. – Т. 20, № 3. – С. 807–812.

14. Аганин А.А., Ильгамов М.А., Топорков Д.Ю. Зависимость сжатия пара в кавитационных пузырьках в воде и бензоле от давления жидкости // Учен. зап. Казан. ун.-та. Сер. Физ.-матем. науки. – 2016. – Т. 158, № 2. – С. 231–242.

15. Hilgenfeldt S., Lohse D., Moss W.C. Water temperature dependence of single bubble sonoluminescence // Phys. Rev. Let. – 1998. – V. 80, No 6. – P. 1332–1335.

16. Fuster D., Hauke G., Dopazo C. Parametric analysis for a single collapsing bubble // Flow, Turbul. Combust. – 2009. – V. 82, No 1. – P. 25–46. – doi: 10.1007/s10494-008-9169-8.

17. Нигматулин Р.И., Болотнова Р.Х. Широкодиапазонное уравнение состояния органических жидкостей на примере ацетона // Докл. РАН. – 2007. – Т. 415, № 5. – С. 617–621.

18. Аганин А.А., Халитова Т.Ф., Хисматуллина Н.А. Расчет сильного сжатия сферического парового пузырька в жидкости // Вычисл. технологии. – 2008. – Т. 13, № 6. – С. 17–27.

19. Аганин А.А., Халитова Т.Ф. Зависимость образования ударной волны в кавитационном пузырьке от температуры жидкости// Труды Ин-та механики им. Р.Р. Мавлютова Уфимского научного центра РАН. – 2017. – Т. 12, № 1. – С. 89–95. – doi: 10.21662/uim2018.1.002.

20. Нигматулин Р.И., Аганин А.А., Топорков Д.Ю., Ильгамов М.А. Образование сходящихся ударных волн в пузырьке при его сжатии // Докл. РАН. – 2014. – Т. 458, № 3. – С. 282–286.

Поступила в редакцию

18.03.18

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

Халитова Талия Фаритовна, 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:  taliny@mail.ru

Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.