Temperatureffekte bei der lasererzeugten Kavitation
Thermal effects in laser-generated cavitation
by Hendrik Söhnholz
Date of Examination:2016-10-26
Date of issue:2017-04-03
Advisor:Prof. Dr. Christoph F. Schmidt
Referee:Prof. Dr. Christoph F. Schmidt
Referee:Prof. Dr. Ulrich Parlitz
Persistent Address:
http://dx.doi.org/10.53846/goediss-6176
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Abstract
English
The purpose of this thesis is to examine how the dynamics of single laser-generated bubbles is affected by the water temperature. In addition, the heat transport between a bubble and the surrounding liquid throughout the bubble oscillation is investigated with a focus on the bubble collapse. A nanosecond laser pulse is focused into a special temperature-controlled cuvette. In this way a single bubble can be produced in the water. The bubble dynamics at elevated temperatures is studied both experimentally using a high-speed camera and numerically using various models for single spherical bubbles. In order to estimate the amount of heat transported from the bubble to the liquid, temperature measurements are carried out using the laser-induced fluorescence (LIF) method. The fluorescence intensity of the dye dissolved in water decreases with increasing temperature. The shock waves emitted by the bubble are recorded with a hydrophone. Radius-time data obtained from the high-speed recordings show the strong influence of the water vapour pressure on the bubble dynamics. Shock wave emission leads to damping of the bubble oscillation. At elevated temperatures the bubble collapses more slowly and is compressed more weakly. Shock waves are considered the main cause for cavitation erosion. The shock waves are weaker for slowly collapsing bubbles. Therefore the damage might be reduced in this case. In the LIF temperature measurements, a decrease of the fluorescence intensity close to a laser-generated bubble is observed. LIF measurements on a single bubble trapped in a sound field also show a strong decrease of the fluorescence intensity in the vicinity of the bubble. It is yet unclear if this decrease is due to a temperature increase or due to quenching of the fluorescent dyes by products of chemical reactions inside the bubble. Assuming that there is a temperature increase, the amount of heat transported from the bubble to the liquid would be very low.
Keywords: laser-generated cavitation; bubble dynamics; water temperature; heat transport; laser-induced fluorescence (LIF); shock waves
German
Diese Arbeit behandelt den Einfluss der Wassertemperatur auf die Dynamik von einzelnen lasererzeugten Kavitationsblasen sowie den Wärmetransport zwischen Blase und Flüssigkeit während der Blasenschwingung, insbesondere im Blasenkollaps. Im Experiment wird ein Nanosekunden-Laserpuls in eine spezielle temperaturgeregelte Küvette fokussiert. Im Wasser kann auf diese Weise eine einzelne Kavitationsblase erzeugt werden. Die Blasendynamik bei verschiedenen Wassertemperaturen wird durch eine Hochgeschwindigkeitskamera erfasst und zusätzlich mit Hilfe verschiedener Modelle für kugelförmige Blasen numerisch berechnet. Zur Untersuchung des Wärmetransports zwischen Blase und Flüssigkeit werden Temperaturmessungen mittels laserinduzierter Fluoreszenz (LIF) durchgeführt. Dabei wird ausgenutzt, dass bei dem verwendeten Farbstoff die Fluoreszenzintensität mit steigender Temperatur abnimmt. Ein Hydrofon zeichnet in den Experimenten die von der Blase ausgehenden Stoßwellen auf. Die aus den Hochgeschwindigkeitsaufnahmen resultierenden Blasenradius-Zeit-Kurven zeigen, dass der Dampfdruck einen großen Einfluss auf die Blasendynamik hat. Die abgestrahlten Stoßwellen sorgen für eine Dämpfung der Blasenschwingung. Bei hohen Wassertemperaturen kollabiert die Blase langsamer und ihr Radius bleibt im Kollaps größer. Stoßwellen werden als die Hauptursache für Kavitationserosion angesehen. Die bei langsamerem Kollaps schwächeren Stoßwellen könnten eine geringere Kavitationserosion bewirken. Bei den LIF-Temperaturmessungen konnte eine reduzierte Fluoreszenzintensität in der Nähe einer lasererzeugten Blase beobachtet werden. LIF-Messungen an einer im Schallfeld gefangenen Blase zeigen ebenfalls einen deutlichen Abfall der Fluoreszenzintensität in der Nähe der Blase. Es ist allerdings noch offen, ob dieser Intensitätsabfall durch eine Temperaturerhöhung zustande kommt oder ob Fluoreszenzlöschung durch chemische Reaktionsprodukte stattfindet. Falls es sich um eine Temperaturerhöhung handelt, dann muss die von der Blase abgegebene Wärmemenge sehr klein sein.
Schlagwörter: lasererzeugte Kavitation; Blasendynamik; Wassertemperatur; Wärmetransport; laserinduzierte Fluoreszenz (LIF); Stoßwellen
