Charakterisierung von Kavitationsblasenpopulationen

Abstract

Unter akustischer Kavitation versteht man die Blasenbildung und Blasendynamik in Flüssigkeiten bei Schalleinwirkung. Es zeigt sich, dass die Blasen in einem akustischen Kavitationsfeld keine homogene Gruppe bilden, sondern dass durchaus verschiedene Blasen-"Populationen" existieren können, die sich in räumlicher Anordnung und Bewegung, in ihrer Schwingungsdynamik und -form und anderen Charakteristika unterscheiden. Hierzu zählen u. a. Sonolumineszenz-Emission oder Reinigungs- und Erosionsaktivität. Für Anwendungen wie Reinigung oder Chemie durch Kavitation ist ein Verständnis solcher Blasenpopulationen essentiell, wenn beabsichtigt wird, die Kavitationseffekte zu optimieren oder gar zu kontrollieren und zu steuern. In dieser Arbeit wird das Verhalten von Kavitationsblasen im Ultraschallbereich in Bezug auf Populationen, Aktivität und Strukturbildung untersucht. Experimentelle Methoden umfassen Hochgeschwindigkeitsaufnahmen, akustische Emissionsmessungen sowie einen neuartigen Aufbau zur räumlich, zeitlich und farblich aufgelösten Messung von Sonolumineszenz. Die Ergebnisse zeigen u.a. - die Frequenzskalierung und Ähnlichkeit einer häufigen Blasenkettenstruktur ("Miller-array") über einen weiten Frequenzbereich der Schallanregung (20 kHz bis 1 MHz), - unterschiedliche Reinigungsmechanismen von Unterpopulationen der Kavitationsblasen in einer Struktur bei 230 kHz, - Verlaufsmuster in Raum, Zeit und Farbe von Sonolumineszenz in verschiedenen wässrigen Lösungen mit Luminol bzw. Natriumdodecylsulfat (SDS) bei 370 kHz, - Korrelation von optischem Emissionsspektrum und Blasendynamik bei Kavitation in konzentrierter Schwefelsäure mit gelöstem Natriumsulfat bei 23 kHz. Aus den letztgenannten Ergebnissen folgt insbesondere die experimentelle Aufklärung eines Mechanismus, der zur Anregung von nicht-flüchtigen Substanzen durch Kavitationsblasen führen kann, nämlich durch ins Blaseninnere eingemischte Tröpfchen. Dazu kommt es durch asphärische Blasendynamik mit Oberflächenschwingungen sowie durch Bildung eines Flüssigkeitsstrahls (Jet) durch die Blase, wenn der Kollaps bei schneller Translation der Blase stattfindet.