Laser-induzierte Kavitation an Grenzflächen im Ultraschallfeld

Kavitation bezeichnet die Bildung von Blasen fern des Gleichgewichts, d.h. die Blasen ziehen auf ein viel gr ̈oßeres Volumen als ihr Ruhevolumen auf. Dies kann entweder durch die Zufuhr von Energie erreicht werden, bei der in der Fl ̈ussigkeit explosionsartig ein Hohlraum erzeugt wird oder durch eine Zugspannung, die eine bereits existierende Blase aufzieht. Die beiden Methoden erreichen, dass sich eine Blase viel gr ̈oßer als ihr Gleichgewichtsradius aufzieht. Kavitationsblasen, die so erzeugt werden, implodieren nach dem Erreichen ihrer maximalen Gr ̈oße und konzentrieren die kinetische Energie der Fl ̈ussigkeit, wodurch der Blaseninhalt auf einen enormen Druck bei hohen Temperaturen komprimiert wird. Im sogenannten Kollaps entstehen chemische Reaktionen, Stoßwellen und schnelle Fl ̈ussigkeitsjets, und es kommt zu Materialerosion im sich im Wirkungsradius befindlicher Oberfl ̈achen.

Der Vorteil der Kavitationserzeugung durch Energiezufuhr liegt in der ausgezeichneten Kontrolle der Blasendynamik. Eine Zugspannung kann jedoch beispielsweise mittels eines Ultraschallfeldes leichter erzeugt werden. Der vorliegende Antrag ist eine Fortsetzung des erfolgreichen von der DFG gef ̈orderten Projekts OH 75/4-1, das im September 2023 endet. Dort wurde die Wechselwirkung zwischen einer kollabierenden oder expandierenden Kavitationsblase und eines elastischen Feststoffs experimentell und numerisch untersucht. Der numerische L ̈oser wurde im OpenFOAM-Framework als Volume-of-Fluid- Methode realisiert. Wir m ̈ochten diese Methode und das Wissen nun zur Untersuchung von nicht- sph ̈arischen Kavitationsblasen in einem Schallfeld nutzen. Unser Fokus liegt auf der Wechselwirkung der Kavitationsblase mit dem Schallfeld, in Verbindung mit einer Grenzfl ̈ache und in d ̈unnen Spalten. In den Experimenten wird die Kavitationsblase mit einem Laserimpuls in einem Schallfeld eines akustischen Horns erzeugt. Das Projekt ist in drei Arbeitspakete unterteilt. Zun ̈achst m ̈ochten wir den Einfluss von Phase des Schalls, dessen Amplitude und der Position der Blase im stehenden Schallfeld f ̈ur die sich ergebende nicht-sph ̈arische Blasendynamik verstehen. Im zweiten Arbeitspaket wird die Blase in der N ̈ahe einer Grenzfl ̈ache erzeugt, wobei die Anziehungskraft der Grenzfl ̈ache mit dem akustischen Druck- gradienten konkurriert. Dies wird zu einer komplexen Str ̈omung in der Grenzschicht zwischen Blase und Grenzfl ̈ache f ̈uhren, den wir aufl ̈osen werden. Im dritten Teil des Antrags wird die Blasendynamik in planaren Fl ̈ussigkeitsschichten begrenzt durch feste Grenzfl ̈achen untersucht. Alle drei Arbeitspakete er- reichen eine Vernetzung aus Experiment und Simulation, indem die Simulationen am Experiment validiert werden und schließlich die numerische Messung der Kr ̈afte und Str ̈omungen erlauben, die experimentell nur schwer oder nicht zug ̈anglich sind.

Laser-induced cavitation near a rigid boundary in a sound field

avitation denotes the formation of bubbles far from their equilibrium size, i.e., they are expanded to a much larger size than their rest radius. This can be achieved by either depositing energy in the liquid that explosively expands a void in the liquid (termed cavitation nucleation by energy deposition), or by supplying a low pressure or a tension such that a bubble expands from its equilibrium radius to a considerably larger size (termed cavitation by tension). For cavitation bubbles generated by either method, once reaching their maximum size they shrink in an accelerated fashion and focus energy from the liquid thereby compressing the bubble content to enormous pressures and temperatures, initiating chemical reactions, emitting shock waves, accelerating liquid jets, and eroding any material nearby.
The advantage of cavitation through energy deposition is the excellent control of later bubble dynam- ics. Meanwhile, tension can be more easily achieved, for example, in an ultrasound field. The present proposal is a continuation of the successful DFG-funded project OH 75/4-1 ending in September 2023. In that project, a solver was developed that accounts for the fluid-structure interaction between a collapsing or expanding cavitation bubble and a linearly elastic solid using direct numerical simulations. The solver is embedded in the OpenFOAM framework and uses the Volume-of-Fluid method. Next, we want to uti- lize this solver together with straightforward experiments to unravel the non-spherical cavitation bubble dynamics in an ultrasound field. Our focus lies in the interaction of the cavitation bubble with the sound field in the presence of a single nearby boundary as well as in a confined liquid filled gap. The cavitation bubble is generated with a laser pulse in the sound field of an acoustic horn (sonotrode). The project is split into three work packages. First we want to understand the importance of phase, pressure, and position of the bubble in a standing wave sound field on the non-spherical bubble dynamics. Then, the bubble will be generated close to a boundary where the attractive force of the boundary competes with the acoustic pressure gradient. This will lead to a complex boundary layer flow that we will resolve. The third part of the proposal studies thin gaps where the bubble dynamics are confined. Significant erosion is observed in thin gaps, and the aim of the third part is to understand the kind of bubble dynamics that cause it.
All three work packages include experiments and simulations. The validated simulations will provide details about the forces and fluid flows that are difficult to resolve in the experiments.