Динамика пузырька и импульсное нагружение твердой поверхности при акустическом воздействии
Институты и факультеты
Главная \ Наука \ Научные издания КФУ \ Ученые записки Казанского университета \ Ученые записки Казанского университета. Серия Физико-математические науки \ Архив

Динамика пузырька и импульсное нагружение твердой поверхности при акустическом воздействии

А.А. Аганин, Т.С. Гусева, Л.А. Косолапова, В.Г. Малахов

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

 

ОРИГИНАЛЬНАЯ СТАТЬЯ

Полный текст PDF
DOI: 10.26907/2541-7746.2021.1.31-47

Для цитирования: Аганин А.А., Гусева Т.С., Косолапова Л.А., Малахов В.Г. Динамика пузырька и импульсное нагружение твердой поверхности при акустическом воздействии // Учен. зап. Казан. ун-та. Сер. Физ.-матем. науки. – 2021. – Т. 163, кн. 1. – С. 31–47. – doi: 10.26907/2541-7746.2021.1.31-47.

For citation : Aganin A.A., Guseva T.S., Kosolapova L.A., Malakhov V.G. The bubble dynamics and impulse loading of a rigid surface under acoustic action. Uchenye Zapiski Kazanskogo Universiteta. Seriya Fiziko-Matematicheskie Nauki, 2021, vol. 163, no. 1, pp. 31–47. doi: 10.26907/2541-7746.2021.1.31-47. (In Russian)

Аннотация

Проведено численное исследование расширения, коллапса и импульсного воздействия газового пузырька на плоскую твердую стенку при гармоническом изменении давления окружающей жидкости (воды). Задача полагалась осесимметричной. Воздействие на стенку реализовывалось посредством удара кумулятивной струи, образующейся на поверхности пузырька при его коллапсе. Расширение и коллапс пузырька рассчитывались методом граничных элементов, импульсное воздействие на стенку – методом CIP-CUP. Приведены результаты исследования влияния параметров акустического воздействия и начальной удаленности пузырька от стенки на динамику пузырька, а также влияния частоты воздействия, соответствующей максимальной скорости кумулятивной струи, на импульсное нагружение стенки.

Ключевые слова: кавитационный пузырек, акустическое воздействие, удар струи, нагружение стенки, метод граничных элементов, метод CIP-CUP

Литература

  1. Terwisga T.J.C., Wijngaarden E., Bosschers J., Kuiper G. Cavitation research on ship propellers: A review of achievements and challenges // Sixth Int. Symp. on Cavitation. – Wageningen, Neth., 2006. – P. 1–14.
  2. Pearsall I.S. Cavitation. – London: Mills and Boon, 1972. – 80 p.
  3. Brennen C.E. Hydrodynamics of Pumps. – N. Y.: Oxford Univ. Press, 1994. – 24 p.
  4. Hubballi B.V., Sondur V.B. A review on the prediction of cavitation erosion inception in hydraulic control valves // Int. J. Emerging Technol. Adv. Eng. – 2013. – V. 3, No 1. – P. 110–119.
  5. Guo Sh., Khoo B.Ch., Teo S.L. M., 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.
  6. Kieser B., Phillion R., Smith S., McCartney T. The application of industrial scale ultrasonic cleaning to heat exchangers // Proc. Int. Conf. on Heat Exchanger Fouling and Cleaning / Eds. M.R. Malayeri, H. Mu¨ller-Steinhagen, A.P. Watkinson. – 2011. – P. 336–338.
  7. Blake J.R., Leppinen D.M., Wang Q. Cavitation and bubble dynamics: The Kelvin impulse and its applications // Interface Focus. – 2015. – V. 5, No 5. – Art. 20150017, P. 1–15. – doi: 10.1098/rsfs.2015.0017.
  8. Calvisi M.L., Iloreta J.I., Szeri A.J. Dynamics of bubbles near a rigid surface subjected to a lithotripter shock wave. Part 2. Reflected shock intensifies non-spherical cavitation collapse // J. Fluid Mech. – 2008. – V. 616. – P. 63–97. – doi: 10.1017/S0022112008003054.
  9. 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.
  10. Philipp A., Delius M., Scheffczyk C., Vogel A., Lauterborn W. Interaction of lithotripter-generated shock waves with air bubbles // J. Acoust. Soc. Am. – 1993. – V. 93, No 3. – P. 2496–2509. – doi: 10.1121/1.406853.
  11. Shima A., Tomita Y., Takahashi K. The collapse of a gas bubble near a solid wall by a shock wave and the induced impulsive pressure // Proc. Inst. Mech. Eng. – 1984. – V. 198C, No 8. – P. 81–86.
  12. Tomita Y., Shima A. Mechanisms of impulsive pressure generation and damage pit formation by bubble collapse // J. Fluid Mech. – 1986. – V. 169. – P. 535–564.
  13. Brujan E.A., Matsumoto Y. Collapse of micrometer-sized cavitation bubbles near a rigid boundary // Microfluid. Nanofluid. – 2012. – V. 13, No 6. – P. 957–966. – doi: 10.1007/s10404-012-1015-6.
  14. Brujan E.A., Ikeda T., Matsumoto Y. On the pressure of cavitation bubbles // Exp. Therm. Fluid Sci. – 2008. – V. 32, No 5. – P. 1188–1191. – doi: 10.1016/j.expthermflusci.2008.01.006.
  15. Воинов О.В., Воинов В.В. Численный метод расчета нестационарных движений идеальной несжимаемой жидкости со свободными поверхностями // Докл. АН СССР. – 1975. – Т. 221, № 3. – С. 559–562.
  16. 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.
  17. Воинов О.В. Расчет параметров скоростной струи, образующейся при захлопывании пузыря // Прикл. механика и техн. физика. – 1979. – № 3. – С. 94–98.
  18. Sato K., Tomita Y., Shima A. Numerical analysis of a gas bubble near a rigid boundary in an oscillatory pressure field // J. Acoust. Soc. Am. – 1994. – V. 95, No 5, Pt. 1. – P. 2416–2424. – doi: 10.1121/1.409851.
  19. Curtiss G.A., Leppinen D.M., Wang Q.X., Blake J.R. Ultrasonic cavitation near a tissue layer // J. Fluid Mech. – 2013. – V. 730. – P. 245–272. – doi: 10.1017/jfm.2013.341.
  20. Wang Q.X., Manmi K. Three dimensional microbubble dynamics near a wall subject to high intensity ultrasound // Phys. Fluids. – 2014. – V. 26, No 3. – Art. 032104, P. 1–23. – doi: 10.1063/1.4866772.
  21. Ye X., Zhang Am., Zeng Dr. Motion characteristics of cavitation bubble near the rigid wall with the driving of acoustic wave // China Ocean Eng. – 2015. – V. 29. – P. 17–32. – doi: 10.1007/s13344-015-0002-6.
  22. Ye X., Yao X.L., Sun L.Q. Cavitation bubble in compressible fluid near the rigid wall subjected to the acoustic wave with arbitrary incidence angle in three-dimensional // J. Mech. – 2015. – V. 31, No 3. – P. 307–318. – doi: 10.1017/jmech.2014.77.
  23. Osterman A., Dular M., Sirok B. Numerical simulation of a near-wall bubble collapse in an ultrasound field // J. Fluid Sci. Technol. – 2009. – V. 4, No 1. – P. 210–221. – doi: 10.1299/jfst.4.210.
  24. Johnsen E., Colonius T. Numerical simulations of non-spherical bubble collapse // J. Fluid Mech. – 2009. – V. 629. – P. 231–262. – doi: 10.1017/S0022112009006351.
  25. Turangan C.K., Jamaluddin A.R., Ball G.J., Leighton T.G. Free-Lagrange simulations of the expansion and jetting collapse of air bubbles in water // J. Fluid Mech. – 2008. – V. 598. – P. 1–25. – doi: 10.1017/S0022112007009317.
  26. Hsiao C.T., Jayaprakash A., Kapahi A., Choi J.K., Chahine G.L. Modelling of material pitting from cavitation bubble collapse // J. Fluid Mech. – 2014. – V. 755. – P. 142–175. – doi: 10.1017/jfm.2014.394.
  27. Guo C. The relationship between the collapsing cavitation bubble and its microjet near a rigid wall under an ultrasound field // Cavitation – Selected Issues / Ed. by W. Borek, T. Tan´ski, M. Kr´ol. – IntechOpen, 2018. – P. 73–89. – doi: 10.5772/intechopen.79129.
  28. Ma J., Hsiao C.-T., Chahine G.L. Numerical study of acoustically driven bubble cloud dynamics near a rigid wall // Ultrason. Sonochem. – 2018 – V. 40, Pt. A. – P. 944–954. – doi: 10.1016/j.ultsonch.2017.08.033.
  29. Takizawa K., Yabe T., Tsugawa Y., Tezduyar T.E., Mizoe H. Computation of free-surface 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. Aganin A.A., Guseva T.S., Kosolapova L.A., Malakhov V.G. Dynamics of an acoustically excited gas cavity attached to a rigid surface // Lobachevskii J. Math. – 2019. – V. 40, No 11. – P. 1897–1903. – doi: 10.1134/S1995080219110040.
  31. 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.
  32. 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.
  33. Haller K.K., Ventikos Y., Poulikakos D., Monkewitz P. Computational study of high-speed liquid droplet impact // J. Appl. Phys. – 2002. – V. 92, No 5. – P. 2821–2828. – doi: 10.1063/1.1495533. Xiong J., Koshizuka S., Sakai M. Numerical analysis of droplet impingement using the moving particle semi-implicit method // J. Nucl. Sci. Technol. – 2010. – V. 47, No 3. – P. 314–321.
  34. Ogata Y., Yabe T. Shock capturing with improved numerical viscosity in primitive Euler representation // Comput. Phys. – 1999. – V. 119, No 2–3. – P. 179–193. – doi: 10.1016/S0010-4655(99)00188-5.
  35. Аганин А.А., Гусева Т.С. Численное моделирование удара струи по стенке // Матем. моделирование. – 2017. – Т. 29, № 3. – С. 123–138.
  36. Xiong J., Koshizuka S., Sakai M. Investigation of droplet impingement onto wet walls based on simulation using particle method // J. Nucl. Sci. Technol. – 2011. – V. 48, No 1. – P. 145–153. – doi: 10.1080/18811248.2011.9711689.
  37. Fujisawa K., Yamagata T., Fujisawa N. Damping effect on impact pressure from liquid droplet impingement on wet wall // Ann. Nucl. Energy. – 2018. – V. 121. – P. 260–268. – doi: 10.1016/j.anucene.2018.07.008.
  38. Heymann F.J. High-speed impact between a liquid drop and a solid surface // J. Appl. Phys. – 1969. – V. 40, No 13. – P. 5113–5122. – doi: 10.1063/1.1657361.

Поступила в редакцию 23.09.2020

 

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: guseva_ts@imm.knc.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-la@imm.knc.ru

 

Малахов Владимир Георгиевич, 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: vl-malakhov@yandex.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