Laser cavitation bubbles at objects: Merging numerical and experimental methods

by Max Koch
Doctoral thesis
Date of Examination:2020-09-29
Date of issue:2020-12-10
Advisor:Dr. Robert Mettin
Referee:Prof. Dr. Florentin Wörgötter
Referee: Prof. Dr. Apl. Ulrich Apl. Parlitz
Persistent Address: http://dx.doi.org/10.53846/goediss-8326

 

 

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Format:PDF
Description:diss ohne CV und ohne Signatur

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Abstract

English

The main body of this thesis deals with the existence of the so called fast jet that develops when a single, laser generated cavitation bubble expands and collapses close to a flat, solid boundary at normalised distances [0, 0.2]. One reason for this focus is that even after 100 years of research on cavitation erosion, the precise mechanism of damage of hardest materials by cavitation bubbles still is not fully clear. In this thesis it is shown that exactly in the range of normalized distance [0, 0.3] the main pressure peak takes place in the symmetry point at the solid boundary below the bubble. In order to arrive at this conclusion, both the numerical two-phase compressible solver for the Navier-Stokes equation had to be developed to an elaborate extent and the experimental methods had to be designed for high precision records of the bubble collapse instant. One extra step that was further necessary, was to compare numerical and experimental results. The ray-tracing method, shipped with the 3D-software "blender", made it possible to transform the numerical results into images that look very similar to the ones obtained from the high speed photography experiments. This way the interpretation of the experimental results could reach beyond optical limits. To conclude, the thesis poses the existence of a fast jet reaching a velocity of 1000 m/s within 20 ns and the existence of a 4 GPa pressure peak at the solid boundary due to shockwave focussing. Further results concern the flow vortices around the bubble and mushroom-shaped bubbles on a solid cylinder. Most of the code and scripts written to achieve the results are published online (dataverse GWDG/ github).
Keywords: cavitation; CFD; ray-tracing; fluid mechanics; shockwave; non-linear fluid dynamics; compressible flow; bubble dynamics; computational fluid dynamics; OpenFOAM; blender; cavitation erosion

German

Der Hauptteil der Arbeit beschäftigt sich mit der Existenz des sogenannten "fast jets", der von einer einzelnen, laser-erzeugten Kavitationsblase generiert wird, wenn diese in der nähe einer festen Grenzfläche expandiert und kollabiert bei normalisierten Abständen im Bereich [0, 0.2]. Ein Grund für diesen Fokus der Arbeit ist, dass auch nach 100 Jahren Forschung auf dem Gebiet der Kavitationserosion der präzise Mechanismus der Schädigung und Erosion härtester Materialien durch Kavitationsblasen immer noch nicht vollends verstanden ist. In dieser Arbeit wird gezeigt, dass genau im Bereich des normalisierten Abstands [0, 0.3] der Haupt-Druckpeak im Symmetriepunkt unterhalb der Blase an der festen Grenzfläche stattfindet. Um zu dieser Schlussfolgerung zu kommen, musste der numerische zwei-Phasen-Löser für kompressible Strömung weiterentwickelt werden und die experimentellen Methoden mussten für Hochpräzision für den Zeitpunkt des Blasenkollapsmoments optimiert werden. Ein weiterer Schritt war, mittels Ray-tracing die numerischen Simulationen in Bilder zu übersetzen, die denen der experimentellen Resultate von Hochgeschwindigkeitsaufnahmen gleichen. Dazu wurde die Ray-tracing engine von der 3D software "blender" verwendet. Auf diese Weise war eine Interpretation der Experimente jenseits des optisch auflösbaren möglich. Schlussfolgernd lässt sich sagen, dass ein schneller Jet höchstwahrscheinlich existiert, welcher 1000 m/s innerhalb 20 ns erreicht. Weiterhin existiert die Fokussierung einer Kollapsstoßwelle, die 4 GPa an der festen Grenzfläche erreicht. Weitere Resultate handeln von Wirbeln im Strömungsfeld um die Blase herum, sowie von Pilzförmigen Blasen, die auf einem festen Zylinder entstehen. Der meiste Code und die meisten scripts, die zum erreichen der Resultate geschrieben wurden, wurden veröffentlicht (dataverse GWDG/ github).
 
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