مطالعه عددی تأثیر شعاع دیسک ها بر دینامیک یک حباب کاویتاسیون بین دو دیسک صلب موازی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکترا، گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی ارومیه، ارومیه، ایران

2 استاد، گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی ارومیه، ارومیه، ایران

3 دانشیار، گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی ارومیه، ارومیه، ایران

چکیده

حباب‌های کاویتاسیون به‌دلیل کاربردهای گسترده در مهندسی و پزشکی همواره مورد توجه پژوهشگران بوده‌اند. در این پژوهش، دینامیک یک حباب کاویتاسیون بین دو دیسک صلب موازی و تأثیر شعاع دیسک بر رفتار آن بررسی شده است. هدف اصلی، تعیین شعاع بحرانی دیسک‌هاست به‌گونه‌ای که برای مقادیر بزرگ‌تر از آن، تغییر شعاع دیسک تأثیری بر دینامیک حباب نداشته باشد. معادلات حاکم شامل معادلات ناویر- استوکس، انتقال گرما و انتقال کسر حجمی، با روش حجم محدود در نرم‌افزار OpenFOAM حل شده‌اند. نتایج به‌صورت تغییرات شعاع بیشینه حباب برحسب شعاع دیسک و کانتورهای فشار و سرعت ارائه شده است. برای اعتبارسنجی نتایج، از نتایج تحلیلی مربوط به نوسان یک حباب در یک دامنه بی­نهایت و نیز نتایج تجربی مربوط به نوسان یک حباب بین دو دیواره صلب موازی استفاده شد که در هر دو مورد، تطابق خوبی مشاهده شد. نتایج نشان می‌دهد با افزایش شعاع دیسک، شعاع بیشینه حباب و زمان رسیدن به آن افزایش می‌یابد. با این حال، افزایش شعاع دیسک به بیش از یک مقدار بحرانی (حدود ۶۰۰۰ میلی‌متر) تأثیر محسوسی روی شعاع بیشینه حباب و زمان متناظر با آن ندارد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1] Bayram A, Korobenko A. A numerical formulation for cavitating flows around marine propellers based on variational multiscale method. Computational Mechanics. 2021;68(2):405–32.
[2] Coussios CC, Roy RA. Applications of acoustics and cavitation to noninvasive therapy and drug delivery. Annu Rev Fluid Mech. 2008;40(1):395–420.
[3] Song W, Hong M, Lukyanchuk B, Chong T. Laser-induced cavitation bubbles for cleaning of solid surfaces. Journal of Applied Physics. 2004;95(6):2952–2956.
[4] Frank S, Lautz J, Sankin GN, Szeri AJ, Zhong P. Bubble proliferation or dissolution of cavitation nuclei in the beam path of a shock-wave lithotripter. Physical Review Applied. 2015;3(3):034002.
[5] Iben U, Wolf F, Freudigmann H-A, Fröhlich J, Heller W. Optical measurements of gas bubbles in oil behind a cavitating micro-orifice flow. Experiments in Fluids. 2015;56(6):114.
[6] Franc J-P, Michel J-M. Fundamentals of cavitation: Springer; 2005.
[7] Freudigmann H-A, Dörr A, Iben U, Pelz PF. Modeling of cavitation-induced air release phenomena in micro-orifice flows. Journal of Fluids Engineering. 2017;139(11):111301.
[8] Akhatov I, Vakhitova N, Topolnikov A, Zakirov K, Wolfrum B, Kurz T, et al. Dynamics of laser-induced cavitation bubbles. Experimental Thermal and Fluid Science. 2002; 26(6-7), 731-737.
[9] Obreschkow D, Kobel P, Dorsaz N, De Bosset A, Nicollier C, Farhat M. Cavitation bubble dynamics inside liquid drops in microgravity. Physical Review Letters. 2006;97(9):094502.
[10] Zhong T. A high-speed photographic study of ultrasonic cavitation near rigid boundary. Journal of Hydrodynamics, Ser B. 2008;20(5):637–644.
[11] Saleki-Haselghoubi N, Shervani-Tabar MT, Taeibi-Rahni M, Dadvand A. Numerical study on the oscillation of a transient bubble near a confined free surface for droplet generation. Theoretical and Computational Fluid Dynamics. 2014;28(4):449–472.
[12] Wang Q, Liu W, Zhang A, Sui Y. Bubble dynamics in a compressible liquid in contact with a rigid boundary. Interface Focus. 2015;5(5):20150048.
[13] Goh BHT, Gong SW, Ohl S-W, Khoo BC. Spark-generated bubble near an elastic sphere. International Journal of Multiphase Flow. 2017;90:156–166.
[14] Li S, Han R, Zhang A, Wang Q. Analysis of pressure field generated by a collapsing bubble. Ocean Engineering. 2016;117:22–38.
[15] Kadivar E, Phan T-H, Park W-G, el Moctar O. Dynamics of a single cavitation bubble near a cylindrical rod. Physics of Fluids. 2021;33(11).
[16] Li S, Zhang A, Wang S-P. Experimental and numerical studies on “crown” spike generated by a bubble near free-surface. Acta Physica Sinica. 2013;62(19):194703.
[17] Hu J, Liu Y, Liu Y, Duan J, Lu X, Zheng X, et al. Numerical investigation of cavitation bubble jet dynamics near a spherical particle. Symmetry. 2023;15(9):1655.
[18] Nguyen Q-T, Nguyen V-T, Phan T-H, Duy T-N, Park S-H, Park W-G. Numerical study of dynamics of cavitation bubble collapse near oscillating walls. Physics of Fluids. 2023;35(1).
[19] Reese H, Ohl S-W, Ohl C-D. Cavitation bubble induced wall shear stress on an elastic boundary. Physics of Fluids. 2023;35(7).
[20] Rayleigh L. VIII. On the pressure developed in a liquid during the collapse of a spherical cavity. The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science. 1917;34(200):94–98.
[21] Plesset MS, Prosperetti A. Bubble dynamics and cavitation. Annual Review of Fluid Mechanics. 1977;9:145–185.
[22] Hammond KD, Maroudas D, Wirth BD. Theoretical model of helium bubble growth and density in plasma-facing metals. Scientific Reports. 2020;10(1):2192.
[23] Abu-Bakr A, Abu-Nab A. Vapour bubble growth within a viscous mixture non-Newtonian fluid between two-phase turbulent flow. International Journal of Ambient Energy. 2022;43(1):4275–4282.
[24] Phan T-H, Kadivar E, Nguyen V-T, el Moctar O, Park W-G. Thermodynamic effects on single cavitation bubble dynamics under various ambient temperature conditions. Physics of Fluids. 2022;34(2).
[25] Guo K. Analytical solution for the Rayleigh–Plesset equation by Weierstrass elliptic equation. Physics of Fluids. 2023;35(10).
[26] Shima A, Sato Y. The behavior of a bubble between narrow parallel plates. Zeitschrift für angewandte Mathematik und Physik ZAMP. 1980;31:691–704.
[27] Ueki H, Kimoto H, MOMOSE K. Behavior of a spark-induced bubble between parallel walls. Bulletin of JSME. 1984;27(229):1358–1365.
[28] Ishida H, Nuntadusit C, Kimoto H, Nakagawa T, Yamamoto T. Cavitation bubble behavior near solid boundaries. http://resolver caltech edu/cav2001: session A5 003. 2001.
[29] Cui J, Hamilton MF, Wilson PS, Zabolotskaya EA. Bubble pulsations between parallel plates. The Journal of the Acoustical Society of America. 2006;119(4):2067–2072.
[30] Gonzalez-Avila SR, Klaseboer E, Khoo BC, Ohl C-D. Cavitation bubble dynamics in a liquid gap of variable height. Journal of Fluid Mechanics. 2011;682:241–260.
[31] Hsiao C-T, Choi J-K, Singh S, Chahine G, Hay TA, Ilinskii YA, et al. Modelling single-and tandem-bubble dynamics between two parallel plates for biomedical applications. Journal of Fluid Mechanics. 2013;716:137–170.
[32] Liu B, Cai J, Huai X. Heat transfer with the growth and collapse of cavitation bubble between two parallel heated walls. International Journal of Heat and Mass Transfer. 2014;78:830–838.
[33] Ogasawara T, Tsubota N, Seki H, Shigaki Y, Takahira H, editors. Experimental and numerical investigations of the bubble collapse at the center between rigid walls. Journal of Physics: Conference Series; 2015: IOP Publishing.
[34] Quah EW, Karri B, Ohl S-W, Klaseboer E, Khoo BC. Expansion and collapse of an initially off-centered bubble within a narrow gap and the effect of a free surface. International Journal of Multiphase Flow. 2018;99:62–72.
[35] Han B, Zhu R, Guo Z, Liu L, Ni X-W. Control of the liquid jet formation through the symmetric and asymmetric collapse of a single bubble generated between two parallel solid plates. European Journal of Mechanics-B/Fluids. 2018;72:114–122.
[36] Peng H, He X, Zhang J, Wang Y. Cavitation bubble collapse between parallel rigid walls with the three-dimensional multi-relaxation time pseudopotential lattice Boltzmann method. Aip Advances. 2020;10(1).
[37] Gonzalez-Avila SR, Van Blokland AC, Zeng Q, Ohl C-D. Jetting and shear stress enhancement from cavitation bubbles collapsing in a narrow gap. Journal of Fluid Mechanics. 2020;884:A23.
[38] Zeng Q, Gonzalez-Avila SR, Ohl C-D. Splitting and jetting of cavitation bubbles in thin gaps. Journal of Fluid Mechanics. 2020;896:A28.
[39] Su B, Yao X, Cui X. Experimental research of underwater explosion bubble dynamics between two parallel plates with various distances. Applied Ocean Research. 2022;122:103081.
[40] Wang P, Shi D, Cui X, Ma C, Su B, Li G. Study on bubble pulsation process of underwater explosion between parallel plates with various distances. Ocean Engineering. 2023;278:114512.
[41] Liu Y, Luo J. Experimental study on damage mechanism of blood vessel by cavitation bubbles. Ultrasonics Sonochemistry. 2023;99:106562.
[42] Bapir SA, Manmi KM, Saeed RK, Dadvand A. Oscillation of an ultrasonically driven gas bubble in an asymmetric confined domain. International Journal of Mechanical Sciences. 2024;265:108861.
[43]حاجی زاده اقدم ا. تحلیل تجربی رفتار یک حباب نوسانی در مجاورت سطوح صلب و الاستیک. مجله مهندسی مکانیک دانشگاه تبریز، 1400، د51، ش3، ص35-40.
[44] اسفندیاری خسروشاهی ع.، دادوند ع.، عبدالرحمان، مانمی ک.م.ع. شبیه‌سازی عددی پمپاژ مایعات لزج با استفاده از نوسان یک حباب کاویتاسیون. مهندسی مکانیک دانشگاه تبریز، 1403، 54(3)، 1-10.‎
[45] Martínez EL, Jaimes R, Gomez JL, Maciel Filho R. CFD simulation of three-dimensional multiphase flow in a rotating packed bed.  Computer Aided Chemical Engineering. 2012;30: 1158–1162.