Experimental investigation of shock wave - bubble interaction
Experimentelle Untersuchung der Stoßwellen-Blasen-Wechselwirkung
by Mohsen Alizadeh
Date of Examination:2010-04-09
Date of issue:2010-06-02
Advisor:Dr. Thomas Kurz
Referee:Prof. Dr. Werner Lauterborn
Referee:Prof. Dr. Ulrich Parlitz
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Size:43.4Mb
Format:PDF
Description:Dissertation
Abstract
English
The dynamics of laser-generated single cavitation bubbles exposed to lithotripter shock waves is investigated experimentally. The effects of shock impact on the fast bubble dynamics are captured by means of high-speed photography and simultaneous pressure measurements with a fiber-optic hydrophone. Both free bubbles and bubbles in proximity to a solid wall are investigated at different shock amplitudes and times of shock arrival. Three different times of shock impingement are chosen to explore the effect of the shock wave - bubble interaction on both collapsing and expanding cavities. Due to the energy transfer from the shock wave to the bubble, the forced cavity implosion is more violent in comparison to the free oscillation. The collapse time is reduced and the shock wave emitted upon collapse is enhanced. The amplification factor increases with the amplitude of the incoming shock. The bubble centroid is translated in the direction of the incoming shock wave because of momentum transfer from the shock to the bubble. In a further experiment a solid boundary is located near to the bubble, parallel to the propagation direction of the incoming shock. The distance between the bubble and the wall is altered in several steps, as well as the time of shock impingement. The competition between the effect of the boundary and the shock-induced pressure asymmetry leads to formation of oblique jets whose angle depends on the stand-off distance.
Keywords: Cavitation; Shock waves; Laser-induced cavitation
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Die Dynamik lasererzeugter Kavitationsblasen unter dem Einfluß von Lithotripter-Stoßwellen wird experimentell untersucht. Die Wirkungen des Stoßes auf die schnelle Blasendynamik werden mit Hilfe von Hochgeschwindigkeitsfotografie und Druckmessungen mittels eines faseroptischen Hydrophons ermittelt. Es werden sowohl freie Blasen als auch Blasen in der Nähe einer festen Wand bei verschiedenen Stoßamplituden und Stoßankunftszeiten untersucht. Bei drei verschiedenen Einfallszeiten wird ermittelt, wie sich die Wechselwirkung zwischen Stoßwelle und Blase sowohl auf kollabierende als auch expandierende Blasen auswirkt. Durch den Übertrag von Energie vom Stoß auf die Blase implodiert der Hohlraum im Vergleich zur freien Schwingung stärker. Die Kollapszeit wird verkürzt und die beim Kollaps ausgesandte Stoßwelle verstärkt. Der Verstärkungsfaktor wächst mit der Amplitude des eingehenden Stoßes an. Das Blasenzentrum wandert in Richtung der einfallenden Stoßwelle, da Impuls vom Stoß auf die Blase übertragen wird. In einem weiteren Experiment wird eine feste Grenzfläche parallel zur Stoßeinfallsrichtung in die Nähe der Blase gebracht. Der Abstand zwischen Blase und Wand wird in mehreren Schritten verändert, ebenso die Ankunftszeit des Stoßes. Die konkurrierenden Einflüsse von Wand und stoßbedingter Druckasymmetrie führen zur Ausbildung schräggerichteter Jets, deren Winkel vom Abstandsparameter abhängt.
Schlagwörter: Kavitation; Stoßwellen; Laserinduzierte Kavitation