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Partikelmodellierung der Strukturbildung akustischer Kavitationsblasen in Wechselwirkung mit dem Schalldruckfeld

dc.contributor.advisorLauterborn, Werner Prof. Dr.de
dc.contributor.authorKoch, Philippde
dc.date.accessioned2006-10-10T15:29:25Zde
dc.date.accessioned2013-01-18T13:31:25Zde
dc.date.available2013-01-30T23:51:03Zde
dc.date.issued2006-10-10de
dc.identifier.urihttp://hdl.handle.net/11858/00-1735-0000-0006-B440-5de
dc.identifier.urihttp://dx.doi.org/10.53846/goediss-2659
dc.identifier.urihttp://dx.doi.org/10.53846/goediss-2659
dc.description.abstractBei 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.de
dc.format.mimetypeapplication/pdfde
dc.language.isogerde
dc.rights.urihttp://webdoc.sub.gwdg.de/diss/copyr_diss.htmlde
dc.titlePartikelmodellierung der Strukturbildung akustischer Kavitationsblasen in Wechselwirkung mit dem Schalldruckfeldde
dc.typedoctoralThesisde
dc.title.translatedParticle modeling of acoustic cavitation bubble structure formation and interaction with the acoustic pressure fieldde
dc.contributor.refereeLauterborn, Werner Prof. Dr.de
dc.date.examination2006-08-29de
dc.subject.dnb530 Physikde
dc.description.abstractengWhen a strong acoustic field is coupled into a liquid, it ruptures and bubbles emerge (acoustic cavitation). The acoustic cavitation bubbles show volume oscillations as well as a translative behavior which may result in complex spatial and temporal structure formation. For the modeling of this phenomenon a numerical simulation method is developed and applied to typical bubble formations. The results are compared to experimental observations.A numerical model is constructed which captures the interaction of the sound field with multi bubble structures. It consists of three parts which are coupled:Usage of the first and second model yields very good results for systems of one and two bubbles in an acoustic range of 25 kHz driving pressure. In the experimental preparation the bubbles are produced by optical breakdown. The bubble motion is observed and compared to results of the simulation. Multi bubble structures of about 30 bubbles near a pressure antinode are reproduced by the model in good agreement to three-dimensional experimental observations.By combining all three models via an iterative stepping between the pressure field and the bubble density calculations, the influence of the changing bubble formation on the pressure field can be included. The entire model is used to calculate a quasi two-dimensional filamentary bubble structure in a standing wave field. The rearrangement of the structure, induced by the shift of resonance frequency, can be reproduced. Additionally, the calculation shows fluctuations of the bubble structure without changing of external parameters, as observed in experiments. Furthermore, a special double layer bubble formation around the antinode of a standing wavefield is modeled and discussed.de
dc.contributor.coRefereeRein, Martin PD Dr.de
dc.subject.topicMathematics and Computer Sciencede
dc.subject.gerakustische Kavitationde
dc.subject.gerStrukturbildungde
dc.subject.gerakustische Lichtenbergfigurde
dc.subject.gernichtlineare radiale Blasendynamikde
dc.subject.gerKeller-Miksis-Modellde
dc.subject.gerOberflächenstabilitätde
dc.subject.gerGasdiffusionde
dc.subject.gerPartikelmodellierungde
dc.subject.gerprimäre und sekundäre Bjerkneskraftde
dc.subject.gerReibungskraftde
dc.subject.gervirtuelle Massede
dc.subject.gerUltraschallfeldde
dc.subject.gerHelmholtz-Gleichungde
dc.subject.gerstehende Schallfeldmodede
dc.subject.gerResonanzverschiebungde
dc.subject.gerBlasen-Flüssigkeits-Gemischde
dc.subject.gervan Wijngaarden-Wellengleichungde
dc.subject.gerEinzelblasede
dc.subject.gerVielblasensystemede
dc.subject.gerHochgeschwindigkeitsaufnahmede
dc.subject.engacoustic cavitationde
dc.subject.engstructure formationde
dc.subject.engacoustic Lichtenberg figurde
dc.subject.engnonlinear radial bubble oscillationde
dc.subject.engKeller-Miksis modelde
dc.subject.engsurface stabilityde
dc.subject.enggas diffusionde
dc.subject.engparticel modelingde
dc.subject.engprimary and sekundary Bjerknes forcede
dc.subject.engdrag forcede
dc.subject.engadded massde
dc.subject.engultrasonic fieldde
dc.subject.engHelmholtz equationde
dc.subject.engstanding wave fieldde
dc.subject.engresonance shiftde
dc.subject.engbubble liquid mixturede
dc.subject.engvan Wijngaarden wave equationde
dc.subject.engsingle bubblede
dc.subject.engmulti bubble systemsde
dc.subject.enghigh-speed video observationsde
dc.subject.bk33.12de
dc.subject.bk30.20de
dc.identifier.urnurn:nbn:de:gbv:7-webdoc-1298-9de
dc.identifier.purlwebdoc-1298de
dc.affiliation.instituteFakultät für Physikde
dc.subject.gokfullRHK 000: Ultraschall {Physik: Akustik}de
dc.subject.gokfullRHH 150: Schallausbreitungde
dc.subject.gokfull-reflexionde
dc.subject.gokfullin Flüssigkeiten {Physik: Akustik}de
dc.subject.gokfullRDV 100: Nichtlineare Schwingungen {Theoretische Physik}de
dc.identifier.ppn524829403de


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