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On the Dynamics of Heterogeneous Shock Cavitation

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Heterogeneous shock cavitation occurs behind strong tension waves if a liquid contains minute nuclei. A microbubble model is introduced describing the related phenomena. In this model, the different types of nuclei, existing in a liquid, are represented by a discrete spectrum of gas bubble classes, the respective bubbles having different equilibrium radii. The mixture of the liquid and these bubbles is treated as a homogeneous fluid. Thereby, the dynamics of the bubbles of the individual bubble classes is taken into account by a relation between the radius of a single bubble and the pressure far outside of this bubble. On the basis of this model the dynamics of heterogeneous shock cavilation are investigated numerically by the method of characteristics. Herein, the dynamics of the individual bubbles plays an important role. The passing tension waves cause a violent expansion of the bubbles. Consequently the tensions decrease quickly. Caused by relaxation effects, behind the tension waves pressure and velocity oscillations develop. These may result in the formation of several distinct regions with large bubbles which are separated from each other by regions where the nuclei are not expanded in the long run.

Zusammenfassung

Enthält eine Flüssigkeit kleinste Nukleationskeime, so tritt in ihr hinter starken Zugspannungswellen heterogene Stoßkavitation auf. Zur Beschreibung dieses Vorganges wird ein Mikroblasenmodell eingeführt. In diesem werden die unterschiedlichen, in einer Flüssigkeit vorkommenden Keimarten durch ein diskretes Spektrum von Gasblasenklassen, die sich durch unterschiedliche Ruheradien unterscheiden, approximiert. Die Dynamik der Blasen der einzelnen Blasenklassen wird dabei durch eine Beziehung zwischen dem Radius einer einzelnen Blase und dem Druck weit außerhalb dieser Blase beschrieben. Auf der Grundlage dieses Models wird die Dynamik heterogener Stoßkavitation unter Verwendung eines Charakteristikenverfahrens numerisch untersucht. - Die Eigendynamik der einzelnen Blasen spielt eine wesentliche Rolle. Die Zugspannungswellen verursachen ein heftiges Blasenwachstum, wobei die hohen Zugspannungen i. a. sehr schnell abgebaut werden. Relaxationseffekte führen dabei zum Auftreten von Oszillationen sowohl im Druck, als auch in der Geschwindigkeit. Dies kann die Bildung voneinander getrennter Gebiete mit großen Blasen verursachen, die durch Gebiete, in denen die Blasen nur voriibergehend aufgeweitet werden, getrennt sind.

Sommaire

La cavitation hétérogène est celle qui s'installe quand le liquide contient en suspension de minuscules particules pouvant servir de germes aux bulles qui apparaissent au passage d'une onde d'amplitude suffisante. On présente ici un modèle de micro-bulles destiné à décrire le phénomène en question. Les différents types de noyaux existent dans le liquide sont représentés par un spectre discret de classes de bulles de gaz ayant respectivement différents rayons de stabilité. Le mélange du liquide et de ces bulles est cependant traité comme un fluide homogène. De ce fait, la dynamique des bulles de chaque classe individuelle sera prise en compte par l'intermédiaire d'un relation entre le rayon de chaque bulle et la pression au loin en dehors de la bulle. Grâce à ce modèle, on a pu examiner par voie numérique les aspects mécaniques de la cavitation hétérogène par chocs, en utilisant la méthode des caractéristiques. La dynamique propre à chaque bulle individuelle y joue un rôle important. Le passage des ondes de choc produit une violente expansion des bulles, laquelle par voie de conséquence fait chuter la tension dans le fluide. Derrière les fronts d'ondes de tension, les effets de relaxation engendrent des oscillations de pression et de vitesse. Il peut en résulter la formation de plusieurs régions distinctes contenant des bulles de grande taille, ces régions étant séparées les unes des autres par des régions où les germes de cavitation ne se sont pas développés.
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Document Type: Research Article

Publication date: May 1, 1990

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  • Acta Acustica united with Acustica, published together with the European Acoustics Association (EAA), is an international, peer-reviewed journal on acoustics. It publishes original articles on all subjects in the field of acoustics, such as general linear acoustics, nonlinear acoustics, macrosonics, flow acoustics, atmospheric sound, underwater sound, ultrasonics, physical acoustics, structural acoustics, noise control, active control, environmental noise, building acoustics, room acoustics, acoustic materials, acoustic signal processing, computational and numerical acoustics, hearing, audiology and psychoacoustics, speech, musical acoustics, electroacoustics, auditory quality of systems. It reports on original scientific research in acoustics and on engineering applications. The journal considers scientific papers, technical and applied papers, book reviews, short communications, doctoral thesis abstracts, etc. In irregular intervals also special issues and review articles are published.
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