Response of Gas Bubbles in Spherical Clusters to a Single Underpressure Pulse

A. A. Aganin; Аганин А. А.; I. A. Aganin; Аганин И. А.; A. I.  Davletshin; Давлетшин А. И.; R. I. Nigmatulin; Нигматулин Р. И.

doi:10.31857/S0040364423010131

Отклик газовых пузырьков в сферических кластерах на однократный импульс разрежения

Авторы: Аганин А.А.¹, Аганин И.А.¹, Давлетшин А.И.¹, Нигматулин Р.И.¹
Учреждения:
1. Институт механики и машиностроения – ОСП ФГБУН “Федеральный исследовательский центр “Казанский научный центр РАН”
Выпуск: Том 61, № 1 (2023)
Страницы: 98-107
Раздел: Тепломассообмен и физическая газодинамика
URL: https://journals.rcsi.science/0040-3644/article/view/138649
DOI: https://doi.org/10.31857/S0040364423010131
ID: 138649

Цитировать

Полный текст

Аннотация
Об авторах
Список литературы
Дополнительные файлы
Статистика

Аннотация

Изучается отклик газовых (воздушных) пузырьков в сферическом кластере на однократное импульсное косинусообразное понижение и последующее восстановление давления окружающей жидкости (водоглицериновой смеси) при длительности импульса в окрестности периода собственных колебаний кластера. Полагается, что все пузырьки в ходе отклика остаются слабонесферическими. Исследуется влияние продолжительности и амплитуды импульса возбуждения, положения пузырьков в кластере, расстояния между пузырьками, числа пузырьков в кластере. Рассматриваются кластеры кубической структуры, в которых центры пузырьков располагаются в узлах кубической сетки, а также кластеры со случайным расположением пузырьков и с пузырьками, находящимися в центре и вершинах ряда вложенных друг в друга правильных многогранников. Для оценки влияния взаимодействия между пузырьками проводится сравнение с откликом одиночного пузырька. Используется один из вариантов дискретных моделей динамики пузырьков в кластере, в котором наряду с радиальными колебаниями моделируются их пространственные перемещения и малые несферические деформации. Установлено, что при выполнении условия малости несферических деформаций пузырьков в ходе отклика максимальное повышение давления в пузырьках по отношению к его начальному значению не превосходит нескольких раз. Если игнорировать нарушение данного допущения, то можно получить и значительно большие степени сжатия пузырьков. Это обусловлено тем, что при игнорировании нарушения условия малости деформаций диапазоны рассматриваемых параметров существенно расширяются.

Список литературы

Нигматулин Р.И. Динамика многофазных сред. Т. 1. М.: Наука, 1987. 464 с.
Нигматулин Р.И. Динамика многофазных сред. Т. 2. М.: Наука, 1987. 360 с.
Кедринский В.К. Гидродинамика взрыва: эксперимент и модели. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2000. 434 с.
Аганин А.А., Халитова Т.Ф. Деформация ударной волны при сильном сжатии несферических пузырьков // ТВТ. 2015. Т. 53. № 6. С. 923.
Нигматулин Р.И., Аганин А.А., Ильгамов М.А., Топорков Д.Ю. Экстремальная фокусировка энергии при ударном сжатии парового пузырька в углеводородных жидкостях // ТВТ. 2019. Т. 57. № 2. С. 253.
Brennen C.E. Bubbly Cloud Dynamics and Cavitation. Invited Lecture at the Acoustical Society of America Meeting. June 2007. Salt Lake City, Utah, 2007.
Shimada M., Matsumoto Y., Kobayashi T. Dynamics of the Cloud Cavitation and Cavitation Erosion // Nippon Kikai Gakkai Ronbunshu, B-hen. 1999. V. 65. № 634. P. 1934.
Ma J., Chahine G.L., Hsiao C.-T. Spherical Bubble Dynamics in a Bubbly Medium Using an Euler–Lagrange Model // Chem. Eng. Sci. 2015. V. 128. P. 64.
Doinikov A.A. Translational Motion of Two Interacting Bubbles in a Strong Acoustic Field // Phys. Rev. E. 2001. V. 64. № 2. P. 026301.
Harkin A., Kaper T.J., Nadim A. Coupled Pulsation and Translation of Two Gas Bubbles in a Liquid // J. Fluid Mech. 2001. V. 445. P. 377.
Dear J.P., Field J.E. A Study of the Collapse of Arrays of Cavities // J. Fluid Mech. 1988. V. 190. P. 409.
Blake J.R., Robinson P.B., Shima A., Tomita Y. Interaction of Two Cavitation Bubbles with a Rigid Boundary // J. Fluid Mech. 1993. V. 255. P. 707.
Bremond N., Arora M., Ohl C.-D., Lohse D. Controlled Multibubble Surface Cavitation // Phys. Rev. Lett. 2006. V. 96. № 22. P. 224501.
Kornfeld M., Suvorov L. On the Destructive Action of Cavitation // J. Appl. Phys. 1944. V. 15. P. 495.
Chahine G.L. Pressure Generated by a Bubble Cloud Collapse // Chem. Eng. Commun. 1984. V. 28. № 4–6. P. 355.
Matsumoto Y. Bubble and Bubble Cloud Dynamics // AIP Conf. Proc. 2000. V. 524. P. 65.
Nigmatulin R.I., Akhatov I.Sh., Topolnikov A.S., Bolotnova R.Kh., Vakhitova N.K., Lahey R.T. Jr., Taleyarkhan R.P. Theory of Supercompression of Vapor Bubbles and Nanoscale Thermonuclear Fusion // Phys. Fluids. 2005. V. 17. № 10. P. 107106.
Нигматулин Р.И., Лэхи Р.Т., Талейархан Р.П., Вест К.Д., Блок Р.С. О термоядерных процессах в кавитирующих пузырьках // УФН. 2014. Т. 184. № 9. С. 947.
Wang Y.-C., Brennen C.E. Shock Wave Development in the Collapse of a Cloud of Bubbles // ASME Cavitation Multiphase Flow Forum. 1994. V. FED-194. P. 15.
Wang Y.-C., Brennen C.E. The Noise Generated by the Collapse of a Cloud of Cavitation Bubbles // ASME/JSME Symp. on Cavitation and Gas-Liquid Flow in Fluid Machinery and Devices. 1995. V. FED-226. P. 17.
Brennen C., Reisman G., Wang Y.-C. Shock Waves in Cloud Cavitation // 21st Symp. Naval Hydrodynamics. Washington, DC: National Acad. Press, 1997. P. 756.
Reisman G.E., Wang Y.-C., Brennen C.E. Observations of Shock Waves in Cloud Cavitation // J. Fluid Mech. 1998. V. 355. P. 255.
Wang Y.-C. Effects of Nuclei Size Distribution on the Dynamics of a Spherical Cloud of Cavitation Bubbles // J. Fluids Eng. 1999. V. 121. № 4. P. 881.
Yoshizawa S., Sugiyama K., Matsumoto Y. Acoustic Emission from Micro Bubbles in Ultrasound Field // CAV 2001: 4th Int. Symp. on Cavitation. Pasadena, CA, USA: California Institute of Technology, 2001. Sess. A2. 003.
Matsumoto Y., Yoshizawa S. Behaviour of a Bubble Cluster in an Ultrasound Field // Int. J. Numer. Me-thods Fluids. 2005. V. 47. № 6–7. P. 591.
Насибуллаева Э.Ш., Ахатов И.Ш. Исследование диффузионной устойчивости пузырьков в кластере // ПМТФ. 2007. Т. 48. № 4. С. 40.
Nasibullaeva E.S., Akhatov I.S. Bubble Cluster Dynamics in an Acoustic Field // JASA. 2013. V. 133. № 6. P. 3727.
Галимзянов М.Н. Волны давления в трубе, заполненной жидкостью при наличии в ней пузырьковой области в форме тора // Многофазные системы. 2021. Т. 16. № 3–4. С. 112.
Галимзянов М.Н., Гималтдинов И.К., Агишева У.О. О фокусировке волн давления в тороидальном пузырьковом кластере // Вестн. Башк. ун-та. 2022. Т. 27. № 2. С. 275.
Doinikov A.A. Mathematical Model for Collective Bubble Dynamics in Strong Ultrasound Fields // JASA. 2004. V. 116. № 2. P. 821.
Губайдуллин А.А., Губкин А.С. Особенности динамического поведения пузырьков в кластере, вызванные их гидродинамическим взаимодействием // Теплофизика и аэромеханика. 2015. Т. 22. № 4. С. 471.
Aganin I.A., Davletshin A.I. Dynamics of Interacting Bubbles Located in the Center and Vertices of Regular Polyhedra // J. Phys.: Conf. Ser. 2020. V. 1588. P. 012001.
Aganin I.A., Davletshin A.I. Dynamics of Gas Bubbles Inside a Ball-like Area at the Nodes of a Uniform Cubic Mesh under Sudden Liquid Pressure Rise // Lobachevskii J. Math. 2020. V. 41. № 7. P. 1148.
Tiwari A., Pantano C., Freund J.B. Growth-and-collapse Dynamics of Small Bubble Clusters Near a Wall // J. Fluid Mech. 2015. V. 775. P. 1.
Aganin A.A., Davletshin A.I. Equations of Interaction of Weakly Non-spherical Gas Bubbles in Liquid // Lobachevskii J. Math. 2018. V. 39. № 8. P. 1047.
Aganin I.A., Davletshin A.I. Dynamics of Gas Bubbles in a Cluster under their Pressure Rise // Lobachevskii J. Math. 2021. V. 42. P. 2082.
D’Agostino L., Brennen C.E. Linearized Dynamics of Spherical Bubble Clouds // J. Fluid Mech. 1989. V. 199. P. 155.
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. P. 944.