CHARAKTERISIERUNG DER WANDSCHUBSPANNUNG VON KAVITATIONSBLASEN

Kavitationsblasen erzeugen enorme Kräfte tangential zur Oberfläche, doch die geringen räumlichen und zeitlichen Skalen haben eine detaillierte Untersuchung bislang erschwert. Diese Kräfte müssen bei einer Vielzahl chemischer, biomedizinischer und materialwissenschaftlicher Prozesse berücksichtigt werden. Die Anwendungsbeispiele reichen von der Augenchirurgie bis zur Siliziumwafer-Bearbeitung, von der Sterilisation chirurgischer Instrumente bis hin zu Turbomaschinen. Für all diese Prozesse ist es wichtig, ein grundlegendes Verständnis der Kräfte zu erlangen, die durch die heftige Blasen-Dynamik an einer nahegelegenen Grenzfläche verursacht werden. Während Druckkräfte, die senkrecht auf die Grenzfläche wirken, bereits viel Aufmerksamkeit erhalten haben, sind die durch Viskosität vermittelten und tangential zur Oberfläche wirkenden Kräfte noch kaum verstanden.
Hier werden wir numerische Simulationen und Experimente kombinieren, um die komplexe Strömung zu entschlüsseln, die durch nicht-sphärische oszillierende Blasen erzeugt wird, sowie die dadurch an der Grenzfläche entstehenden Kräfte. Insbesondere werden wir die räumlich und zeitabhängig auf das Substrat wirkende Scherspannung quantifizieren. Um einen besseren Bezug zu Anwendungen herzustellen, werden wir uns nicht nur auf ein flaches Substrat konzentrieren, sondern unsere Untersuchungen auch auf strukturierte Oberflächen ausweiten.
Die Gruppe des Projektleiters führte bereits 2008 die ersten Experimente zur Messung der Scherspannung durch (Dijkink et al., Appl. Phys. Lett 2008). Dort ergaben einzelne laserinduzierte Blasen eine Untergrenze der Wandschubspannung (z. B. der Tangentialkraft) von mehreren tausend Kilopascal. Aktuelle Simulationen seiner Gruppe sagen voraus, dass die Wandschubspannung lokal sogar um eine Größenordnung höher sein könnte als gemessen.
Das erste Ziel des vorliegenden Projekts ist es, schlüssige Antworten auf die zeitabhängige Größe und Verteilung der Wandschubspannung zu liefern. Ein zweites Ziel ist die Modellierung und Messung der auf strukturierte Oberflächen wirkenden Kräfte, um Einblicke in anwendungsrelevantere Situationen zu gewinnen. Der dritte Teil ist die Ausweitung der Untersuchungen auf akustisch angetriebene Kavitation, d. h. auf viele Zyklen von Blasen, die sich einer Oberfläche nähern.
Die Ergebnisse des Projekts sind: (1) die Entwicklung einer neuartigen Technik zur gleichzeitigen zeitlich und räumlich aufgelösten Messung der Wandschubspannung, (2) ein detailliertes Verständnis dafür, wie Blasen viskositätsvermittelte Kräfte an Grenzflächen erzeugen, und (3) experimentell validierte Simulationen, die der Öffentlichkeit über das OpenFOAM-Framework zur Verfügung gestellt werden.

CHARACTERIZATION OF THE WALL SHEAR STRESS OF CAVITATION BUBBLES

Cavitation bubbles create enormous forces tangential to a surface, yet the small spatial and short timescales have so far hindered a detailed investigation. These forces have to be accounted for in an abundant number of chemical, biomedical, and materials processes. Examples range from eye-surgery to silicon wafer processing, from sterilization of surgical instruments to turbo-machinery. For all this processes it is important to gain a fundamental understanding of the forces caused by the violent bubble dynamics on a nearby boundary. While pressure forces acting normal to the boundary having received a lot of attention, the forces mediated through viscosity and acting tangentially to the surface are very little understood.
Here, we will combine numerical simulation and experiments to unravel the complex flow created by non-spherical oscillating bubbles and the thereby created forces on the boundary. In particular we will quantify the shear stress acting spatially and time-dependent on the substrate. To connect better to applications we will not only focus on a flat substrate but also extend our studies to decorated surfaces.
The PI’s group conducted the first experiments to measure the shear stress back in 2008 (Dijkink et al., Appl. Phys. Lett 2008). There, single laser induced bubbles revealed a lower bound of the wall shear stress (e.g. the tangential force) of several thousand kilopascals. Recent simulations from his group predict that the wall shear stress may be locally even an order of magnitude higher than measured.
The first goal of the present project is to provide conclusive answers for the time-dependent magnitude and distribution of the wall shear stress. A second goal is to model and measure the forces acting on surfaces with structures to provide insight to more application relevant situations. The third part is the extension of the studies acoustic driven cavitation, i.e. to many cycles of bubbles approaching a surface.
The deliverables of the project are: (1) to develop a novel technique to measure simultaneously temporally and spatially resolved the wall shear stress, (2) detailed understanding how bubbles create viscosity mediated forces on boundaries, and (3) experimentally validated simulations which will be made available to the public by using the OpenFOAM framework.