Диффузионная устойчивость кавитационного пузырька в жидком микровключении под действием внешней вынуждающей силы

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Рассматривается задача диффузионной устойчивости одиночного кавитационного пузырька в сферической ячейке жидкости (жидком микровключении), окруженной бесконечным упругим твердым телом. В качестве внешней вынуждающей силы используется периодическое во времени давление в твердом теле вдали от ячейки жидкости, которое инициирует колебания пузырька, сопровождающиеся процессом диффузии газа в системе пузырь–в–ячейке. Использовано инженерное приближение, согласно которому увеличение/уменьшение пузырька рассматривается в среднем в предположении, что за период внешнего воздействия масса газа в пузырьке заметно не меняется. Разработанная теория предсказывает существование устойчиво осциллирующих пузырьков в ограниченной жидкости под действием внешней вынуждающей силы. Выявлены три возможных режима диффузии: 1) полное растворение пузырька, 2) частичное растворение пузырька и 3) частичный рост пузырька; последние два режима соответствуют диффузионной устойчивости в системе пузырь–в–ячейке. Проведено параметрическое исследование влияния концентрации газа, растворенного в жидкости, на результирующий устойчивый размер пузырька. Полученные результаты сравниваются с результатами для случая устойчивых колебаний пузырька в звуковом поле давления в бесконечной жидкости. Теоретические выводы могут быть использованы для совершенствования современных приложений ультразвуковых технологий.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

К. В. Леонов

Башкирский государственный медицинский университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: k.leonoff@inbox.ru
Россия, Уфа

И. Ш. Ахатов

Башкирский государственный медицинский университет

Email: k.leonoff@inbox.ru
Россия, Уфа

Список литературы

  1. Clift R., Grace J., Weber M. Bubbles, Drops and Particles. N. Y.: Academic Press, 1978. 380 p.
  2. Gondrexon N., Renaudin V., Boldo P., Gonthier Y., Bernis A., Pettier C. Degassing effect and gas-liquid transfer in a high frequency sonochemical reactor // J. Chem. Eng. 1997. V. 66(1). P. 21–26. https://doi.org/10.1016/S1385-8947(96)03124-5
  3. Kim W., Kim T.-H., Choi J., Kim H.-Y. Mechanism of particle removal by megasonic waves // Appl. Phys. Lett. 2009. V. 94 (8). P. 081908. https://doi.org/10.1063/1.3089820
  4. Lauterborn W., Kurz T. Physics of bubble oscillations // Rep. Prog. Phys. 2010. V. 73. P. 106501. https://doi.org/10.1088/0034-4885/73/10/106501
  5. Crum L.A., Mason T.J., Reisse J.L., Suslick K.S. Sonochemistry and Sonoluminescence. Springer Dordrecht. 1999. 404 p. https://doi.org/10.1007/978-94-015-9215-4
  6. Wang S.S., Jiao Z.J., Huang X.Y., Yang C., Nguyen N.T. Acoustically induced bubbles in a microfluidic channel for mixing enhancement // Microfluid Nanofluidics. 2009. V. 6. P. 847–852. https://doi.org/10.1007/s10404-008-0357-6
  7. Avvaru B., Venkateswaran N., Uppara P., Iyengar S.B., Katti S.S. Current knowledge and potential applications of cavitation technologies for the petroleum industry // Ultrason. Sonochem. 2018. V. 42. P. 493–507. https://doi.org/10.1016/j.ultsonch.2017.12.010
  8. Batchelor D.V.B., Armistead F.J., Ingram N., Peyman S.A., McLaughlan J.R., Coletta P.L., Evans S.D. The Influence of Nanobubble Size and Stability on Ultrasound Enhanced Drug Delivery // Langmuir. 2022. V. 38. P. 13943–13954. https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.2c02303
  9. Marmottant P., Hilgenfeldt S. Controlled vesicle deformation and lysis by single oscillating bubbles // Nature. 2003. V. 423. P. 153–156. https://doi.org/10.1038/nature01613
  10. Coussios C.C., Roy R.A. Applications of Acoustics and Cavitation to Noninvasive Therapy and Drug Delivery // Annu. Rev. Fluid Mech. 2008. V. 40. P. 395–420. https://doi.org/10.1146/annurev.fluid.40.111406.102116
  11. Stride E., Coussios C. Nucleation, mapping and control of cavitation for drug delivery // Nat. Rev. Phys. 2019. V. 1. P. 495–509. https://doi.org/10.1038/s42254-019-0074-y
  12. Moreno Soto Á., Lohse D., Van der Meer D. Diffusive growth of successive bubbles in confinement // J. Fluid Mech. 2020. V. 882. P. A6. https://doi.org/10.1017/jfm.2019.806
  13. Hsieh D., Plesset M.S. Theory of Rectified Diffusion of Mass into Gas Bubbles // J. Acoust. Soc. Am. 1961. V. 33. P. 206–215. https://doi.org/10.1121/1.1908621
  14. Lohse D. Fundamental Fluid Dynamics Challenges in Inkjet Printing // Annu. Rev. Fluid Mech. 2022. V. 54. P. 349–382. https://doi.org/10.1146/annurev-fluid-022321-114001
  15. Reinten H., Jethani Y., Fraters A., Jeurissen R., Lohse D., Versluis M., Segers T. Resonance behavior of a compliant piezo-driven inkjet channel with an entrained microbubble // J. Acoust. Soc. Am. 2022. V. 151. P. 2545–2557. https://doi.org/10.1121/10.0009784
  16. Fraters A., van den Berg M., de Loore Y., Reinten H., Wijshoff H., Lohse D., Versluis M., Segers T. Inkjet Nozzle Failure by Heterogeneous Nucleation: Bubble Entrainment, Cavitation, and Diffusive Growth // Phys. Rev. Appl. 2019. V. 12. P. 064019. https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.12.064019
  17. Eller A., Flynn H.G. Rectified Diffusion during Nonlinear Pulsations of Cavitation Bubbles // J. Acoust. Soc. Am. 1965. V. 37. P. 493–503. https://doi.org/10.1121/1.1909357
  18. Fyrillas M.M., Szeri A.J. Dissolution or growth of soluble spherical oscillating bubbles // J. Fluid Mech. 1994. V. 277. P. 381–407. https://doi.org/10.1017/S0022112094002806
  19. Brenner M.P., Lohse D., Oxtoby D., Dupont T.F. Mechanisms for Stable Single Bubble Sonoluminescence // Phys. Rev. Lett. 1996. V. 76. P. 1158–1161. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.76.1158
  20. Akhatov I., Gumerov N., Ohl C.D., Parlitz U., Lauterborn W. The role of surface tension in stable single-bubble sonoluminescence // Phys. Rev. Lett. 1997. V. 78. P. 227–230. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.78.227
  21. Hilgenfeldt S., Brenner M.P., Grossmann S., Lohse D. Analysis of Rayleigh-Plesset dynamics for sonoluminescing bubbles // J. Fluid Mech. 1998. V. 365. P. 171–204. https://doi.org/10.1017/S0022112098001207
  22. Brenner M.P., Hilgenfeldt S., Lohse D. Single-bubble sonoluminescence // Rev. Mod. Phys. 2002. V. 74. P. 425–484. https://doi.org/10.1103/RevModPhys.74.425
  23. Church C.C. The effects of an elastic solid surface layer on the radial pulsations of gas bubbles // J. Acoust. Soc. Am. 1995. V. 97. P. 1510–1521. https://doi.org/10.1121/1.412091
  24. Obreschkow D., Kobel P., Dorsaz N., de Bosset A., Nicollier C., Farhat M. Cavitation bubble dynamics inside liquid drops in microgravity // Phys. Rev. Lett. 2006. V. 97. P. 094502. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.97.094502
  25. Fourest T., Laurens J.M., Deletombe E., Dupas J., Arrigoni M. Confined Rayleigh-Plesset equation for Hydrodynamic Ram analysis in thin-walled containers under ballistic impacts // Thin-Walled Struct. 2015. V. 86. P. 67–72. https://doi.org/10.1016/j.tws.2014.10.003
  26. Vincent O., Marmottant P. On the statics and dynamics of fully confined bubbles // J. Fluid Mech. 2017. V. 827. P. 194–224. https://doi.org/10.1017/jfm.2017.487
  27. Wang Q.X. Oscillation of a bubble in a liquid confined in an elastic solid // Phys. Fluids. 2017. V. 29. P. 072101. https://doi.org/10.1063/1.4990837
  28. Leonov K., Akhatov I. Dynamics of an externally driven cavitation bubble in an elastic microconfinement // Phys. Rev. E. 2021. V. 104. P. 015105. https://doi.org/10.1103/PhysRevE.104.015105
  29. Leonov K., Akhatov I. The influence of dissolved gas on dynamics of a cavitation bubble in an elastic micro-confinement // J. Heat Mass Transf. Res. 2022. V. 196. P. 123295. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2022.123295
  30. Doinikov A.A., Marmottant P. Natural oscillations of a gas bubble in a liquid-filled cavity located in a viscoelastic medium // J. Sound Vibr. 2018. V. 420. P. 61–72. https://doi.org/10.1016/j.jsv.2018.01.034
  31. Leonov K., Akhatov I. Towards a theory of dynamics of a single cavitation bubble in a rigid micro-confinement // Int. J. Multiph. Flow. 2020. V. 130. P. 103369. https://doi.org/10.1016/j.ijmultiphaseflow.2020.103369
  32. Brennen C.E. Cavitation and Bubble Dynamics. N.Y.: Cambridge University Press, 2013. 268 p. https://doi.org/10.1017/CBO9781107338760
  33. Van Oosterom S., Schreier A., Battley M., Bickerton S., Allen T. Influence of Dissolved Gasses in Epoxy Resin on Resin Infusion Part Quality // Compos. Part A Appl. Sci. Manuf. 2020. V. 132. P. 105818. https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2020.105818
  34. Afendi Md, Banks W.M., Kirkwood D. Bubble free resin for infusion process // Compos. Part A Appl. Sci. Manuf. 2005. V. 36(6). P. 739–746. https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2004.10.030
  35. Shevtsov S., Zhilyaev I., Chang S-H., Wu J-K., Huang J-P., Snezhina N. Experimental and Numerical Study of Vacuum Resin Infusion for Thin-Walled Composite Parts // Appl. Sci. 2020. V. 10(4). P. 1485. https://doi.org/10.3390/app10041485

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Конфигурация квазистатических состояний системы: (а) исходное состояние, (б) равномерное расширение жидкой ячейки при растяжении p∞, (в) новое состояние равновесия.

Скачать (141KB)
Метаданные
3. Рис. 2. (a) Зависимость безразмерного напряжения в твердом теле от радиуса пузырька для Rb0 = 272 нм (или на рис. 3, большой закрашенный круг). Линия из точек соответствует начальному состоянию. Пунктирная линия – давление жидкости Двойная стрелка показывает амплитуду давления внешнего воздействия (б) Изменение радиуса пузырька (сплошная линия), давления жидкости (штрихпунктирная линия) и внешнего воздействия (пунктирная линия) при

Скачать (151KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Зависимость концентрации газа в жидкой ячейке от результирующего устойчивого размера пузырька для различных размеров жидкой ячейки в диапазоне ( ).

Скачать (269KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Пространство параметров для фиксированной концентрации газа 1.25% от csp (пунктирная линия на рис. 3).

Скачать (83KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Зависимость концентрации газа в жидкой ячейке от результирующего устойчивого размера пузырька для различных параметров внешнего воздействия: (а) –амплитуда давления в диапазоне (б) — частота в диапазоне

Скачать (184KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Карта режимов динамики пузырька и равновесная диаграмма его поведения при различных концентрациях газа в ячейках жидкости размером Сплошной линией показаны пороговые состояния пузырька, обеспечивающие наличие/отсутствие кавитации в системе при фиксированной массе газа в пузырьке.

Скачать (189KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».