Molekulardynamische Untersuchungen zur Binnendynamik kollabierender Blasen
Molecular dynamics simulation of the inner dynamics of collapsing bubbles
by Daniel Alexander Schanz
Date of Examination:2008-10-08
Date of issue:2009-06-23
Advisor:Prof. Dr. Werner Lauterborn
Referee:Prof. Dr. Martin Rein
Referee:Prof. Dr. Markus Münzenberg
Referee:Prof. Dr. Wolfram Kollatschny
Persistent Address:
http://dx.doi.org/10.53846/goediss-2834
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Format:PDF
Description:Dissertation
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Abstract
English
This work deals with the numerical simulation of cavitation- and sonoluminescence-bubbles, as well as laser-induced bubbles. The interior of the bubble is simulated by molecular dynamic methods, while the surrounding water is considered to be a continuum. The oscillation of the bubble is modeled via an enhanced Rayleigh-Plesset-equation. The composition is presumend to be a mixture of water vapor and noble gases. The noble gases remain in the bubble, while water vapor is able to condensate or evaporate at the bubble wall. The part of the water vapor that is trapped in the bubble during the fast collapse is mainly dissociated, the generated radicals are chemically active and form new species.At first, the influence of various simulation parameters - e.g. the particle number, or the interaction of the particles with the bubble wall - on the results of the calculation is analysed. This is done on a bubble with model parameters typical for single-bubble-sonoluminescence (SBSL). For the same type of bubbles, the influence of water temperature, excitation pressure and the used noble gas on the achieved temperatures, the creation of different species (chemical yields) and the emitted light energy, is presented. In the following, the model is applied to very small bubbles, that are excited by very high pressures and frequencies. Bubbles of this kind can occour in luminescing cavitation clouds (multi-bubble-sonoluminescence, MBSL). Finally, simulations of laser-induced bubbles are presented. For these, it is presumed, that no noble gas is present and they consist entirely of (partly dissociated) water vapor. The dynamics of the bubble wall, chemical yields and the reached temperatures are analysed for cases where the bubble medium is at rest, as well as cases where the bubble medium is excited by an ultrasonic wave.
Keywords: Molecular dynamics; cavitation; sonoluminescence; bubble collapse
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Diese Arbeit beschäftigt sich mit der numerischen Simulation von Kavitations- und Sonolumineszenzblasen sowie laserinduzierter Blasen. Dabei wird das Innere der Blase mit molekulardynamischen Methoden simuliert, während das umgebende Wasser als kontinuierliches Medium betrachtet wird. Die Schwingung der Blase wird über eine erweiterte Rayleigh-Plesset-Gleichung modelliert. Als Zusammensetzung der Blase wird eine Mischung aus Wasserdampf und Edelgasen angenommen. Der Edelgasanteil verbleibt fest im Inneren, während Wasserdampf an der Blasenwand verdampfen und kondensieren kann. Der während des Kollaps in der Blase verbleibende Wasserdampf wird größtenteils durch die auftretenden hohen Temperaturen dissoziiert, die entstehenden Radikale sind chemisch aktiv und bilden neue Spezies.In der vorliegenden Arbeit wird zunächst der Einfluß diverser Simulationparameter - wie die Teilchenzahl oder die Wechselwirkung der Teilchen mit dem Blasenrand - auf die Ergebnisse der Rechnungen untersucht. Dies geschieht am Beispiel der Simulation einer typischen Einzelblasen-Sonolumineszenzblase (SBSL). Anschließend wird für ebensolche Blasen der Einfluß von Wassertemperatur, Anregungsdruck und Art des glösten Edelgases auf die erreichten Temperaturen, die chemische Entwicklung sowie die emittierte Lichtenenergie erörtert. Im Folgenden wird das Modell auf sehr kleine, mit hohen Schalldrücken und -frequenzen angeregte, Blasen angewendet. Blasen dieser Art können in lumineszierenden Kavitationsblasenfeldern auftreten (Mehrblasensonolumineszenz, MBSL). Zum Abschluß der Arbeit werden Simulationen von laserinduzierten Blasen vorgestellt. Bei diesen wird davon ausgegangen, dass sie kein Edelgas enthalten, sondern komplett aus (teilweise dissoziiertem) Wasserdampf bestehen. Die äußere Dynamik, die chemische Entwicklung sowie die autretenden Temperaturen werden sowohl für Fälle untersucht, bei denen das Blasenmedium ruht, als auch für solche, bei denen das Blasenmedium durch eine Ultraschallquelle angeregt wird.
Schlagwörter: Molekulardynamik; Kavitation; Sonolumineszenz; Blasenkollaps