Partikelmodellierung der Strukturbildung akustischer Kavitationsblasen in Wechselwirkung mit dem Schalldruckfeld

Abstract

Bei Einkopplung eines hinreichend starken Schallfeldes in eine Flüssigkeit reißt diese auf und es entstehen Blasen (akustische Kavitation). Die akustischen Kavitationsblasen führen im Schallfeld Volumenschwingungen und Translationen aus und können dabei raum-zeitliche Strukturen ausbilden. Zur Beschreibung dieses komplexen Phänomens wird eine numerische Simulationsmethode entwickelt und auf typische Beispiele angewendet. Die Ergebnisse werden experimentellen Beobachtungen gegenübergestellt.Das numerische Modell erfasst die Wechselwirkung des Schallfeldes mit sich ausbildenden Vielblasenstrukturen. Dabei werden drei Einzelmodelle gekoppelt:Mit den ersten beiden Teilmodellen ist es möglich, Ein- und Zweiblasensysteme im akustischen Feld bei 25 kHz Anregungsfrequenz quantitativ sehr gut nachzubilden. Hierzu werden gezielt durch optischen Durchbruch induzierte Kavitationsblasen erzeugt, deren Translation vermessen und im Modell simuliert wird. Ebenfalls gut reproduzieren lassen sich filamentartige Vielblasenstrukturen mit etwa 30 Blasen in der Nähe eines Druckbauches, deren dreidimensionale Blasenbahnen durch experimentelle Untersuchungen bekannt sind.Durch Kopplung aller drei Modelle und ein iteratives Vorgehen zwischen Schallfeld- und Blasenortberechnung lässt sich die Beeinflussung des Schallfeldes durch die Kavitationsblasen mit einbeziehen. Beispielhaft wird das Gesamtmodell auf quasi-zweidimensionale Filamentfiguren in einer resonanten Stehwellenmode angewendet. Eine durch Resonanzverschiebung induzierte Strukturänderung kann numerisch nachvollzogen werden. Ebenso zeigen sich in der Simulation Strukturfluktuationen ohne äußeren Parametereinfluss, was auch im Experiment beobachtet wird. Weiterhin wird eine doppelschichtige Blasenanordnung in einer Stehwelle modelliert und diskutiert.