Modern approaches to the description of the dynamics of cavitation bubbles and cavitation clouds

Abstract

В статье рассмотрены существующие подходы к описанию динамики кавитационных пузырьков и кавитационного облака и проблемы, которое возникают при моделировании высокоэнергетических кавитационных процессов, таких как ударные волны, кавитационная эрозия, свечение из пузырьков (сонолюминесценция), и т.д., в акустическом поле высокой интенсивности. Показано, что известная модель, основанная на уравнениях Келлера – Миксиса и Бъеркнеса, не соответствует целому ряду экспериментальных данных, полученных при исследовании «одиночного» кавитационного пузырька, неподвижно пульсирующего в пучности стоячей волны и «обычного» пузырька, движущегося в кавитационном облаке. Для устранения этих несоответствий предложена новая система уравнений, дополнительно учитывающая неравновесность процессов испарения и конденсации пара и неидеальность парогазовой смеси в пузырьке, а также поступательное движение пузырька. Показано, что при быстром сжатии пузырька пар внутри него не успевает конденсироваться и сильно демпфирует это сжатие. Полученное уравнение объясняет сильную зависимость интенсивности свечения «одиночных» пузырьков от температуры жидкости. Устранены противоречия при описании поступательного движения пузырьков, связанные с применением уравнения Бъеркнеса. Показано, что поступательно движущийся пузырек сжимается значительно слабее неподвижного, поскольку в фазе сжатия энергия радиального движения пузырька перетекает в энергию поступательного движения. Это позволяет объяснить причину различия в механизмах свечения пузырьков разных типов. «Одиночный» пузырек излучает свет в момент наибольшего сжатия вследствие нагрева парогазовой смеси до 5 000–10 000 К. Пузырьки в кавитационном облаке движутся поступательно, а их свечение, в отсутствие сильного сжатия, обусловлено микроразрядами в парогазовой фазе при деформации поверхностей пузырьков. The article discusses the existing approaches to the description of the dynamics of cavitation bubbles and cavitation clouds and the problems that arise during modeling of high-energy cavitation processes, such as shock waves, cavitation erosion, bubble glow (sonoluminescence), etc., in a high-intensity acoustic field. A well–known model based on the Keller-Miksis and Bjerknes equations does not correspond to several experimental data obtained in the study of a "single" cavitation bubble pulsating motionlessly in the antinode of a standing wave and an "ordinary" bubble moving in a cavitation cloud. To eliminate these inconsistencies, a new system of equations is proposed, which additionally considers the nonequilibrium processes of vapor evaporation and condensation and the imperfection of the vapor-gas mixture in the bubble, as well as the translational motion of the bubble. It is shown that with rapid compression of the bubble, the vapor inside it does not have time to condense and strongly damps this compression. Resulting equation demonstrates the strong dependence of the intensity of "single" bubble glow on the temperature of the liquid. Contradictions in the description of the translational motion of bubbles associated with the application of the Bjerknes equation are eliminated. Translationally moving bubble is compressed much weaker than a stationary one, since in the compression phase the energy of the radial motion of the bubble flows into the energy of translational motion. It helps explain the reason for the difference in the mechanisms of light emission from bubbles of different types. A "single" bubble emits light at maximal compression due to heating of the vapor-gas mixture up to 5000–10000 K. Bubbles in a cavitation cloud move progressively, and their glow, in the absence of strong compression, is caused by micro-discharges in the vapor-gas phase during deformation of the bubble surfaces.