Simulaciones numéricas de estabilidad en burbujas de cavitación acústica e inercial.
El colapso violento de burbujas ha demostrado ser un método efectivo de compresión para concentrar energía evidenciado en la posible emisión de luz en condiciones muy particulares de los parámetros que gobiernan el problema. Sin embargo, en el espacio de fases donde dicha figura de mérito aumenta...
Guardado en:
| Autor principal: | |
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| Lenguaje: | Español |
| Publicado: |
2013
|
| Materias: | |
| Acceso en línea: | http://ricabib.cab.cnea.gov.ar/421/1/1Rechiman.pdf |
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Repositorio Institucional Centro Atómico Bariloche e Instituto Balseiro (RICABIB) |
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Ingeniería Cavitation Cavitación Bubble dynamics Dinámica de burbujas Shape instabilities Inestabilidades de forma hydrodynamic forces Fuerzas hidrodinámicas History force Fuerza de historia Window method Método de la ventana Rechiman, Ludmila M. Simulaciones numéricas de estabilidad en burbujas de cavitación acústica e inercial. |
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El colapso violento de burbujas ha demostrado ser un método efectivo de compresión
para concentrar energía evidenciado en la posible emisión de luz en condiciones muy
particulares de los parámetros que gobiernan el problema. Sin embargo, en el espacio
de fases donde dicha figura de mérito aumenta se inducen inestabilidades que limitan
los procesos de compresión. En este trabajo se estudia la dinámica de burbujas en dos
casos particulares según el campo de presiones del líquido circundante a la misma, y
las posibles inestabilidades que se pueden presentar en cada caso.
En el caso de burbujas excitadas por un campo de presiones periódico impuesto por
ultrasonido, nuestro propósito fue desarrollar un modelo que permita describir la “inestabilidad
de trayectoria” que se presenta en burbujas inmersas en diferentes fluidos
viscosos, y los posibles métodos para suprimir las pseudo-órbitas producto de dicha
inestabilidad. Para ello, se implementó un modelo que de forma acoplada resuelve tanto
la dinámica radial como de traslación que presentan dichas burbujas, resolviendo
completamente las tres escalas temporales involucradas. Para la resolución de la fuerza
de historia, que le atribuye la característica de ecuación integrodiferencial a la ecuaci
ón que representa la dinámica de traslación, se empleó un nuevo método denominado
“método de la ventana”. En este contexto, nuestro modelo es capaz de describir por
primera vez las principales fuerzas hidrodinámicas que actúan sobre una burbuja en
el régimen de respuesta lineal y no lineal inmersas en los principales fluidos de trabajo
empleados en el campo de estudio de Sonoluminiscencia. Asimismo, dicho modelo
permite identificar las regiones del espacio de fases donde se produce la inestabilidad
de trayectoria originada debido a la acción de la fuerza de historia. Mostramos las
características principales del modelo y contrastamos los resultados con predicciones
teóricas existentes y con mediciones experimentales realizadas en nuestro laboratorio,
demostrando consistencia entre ellos. Para poder realizar la comparación entre
los datos experimentales y teóricos, se planteó un esquema iterativo cuyo propósito
es mantener la concentración de gas no condensable disuelta en el líquido constante,
parámetro que es el que efectivamente se controla en los experimentos reales. Asimismo,
la herramienta de cálculo desarrollada permitió estudiar tres posibles métodos independientes
para obtener burbujas espacialmente fijas, condición necesaria para su correcta
caracterización experimental y presumiblemente para maximizar la concentración de
energía. Dichos métodos son: amplitudes de campo de presión de excitación única suficientemente
bajas, emplear un fluido de trabajo altamente desgasado y empleo de la
excitación multi-frecuencia, armónica en la mayoría de los casos. Todos los métodos se
analizan con el modelo numérico en contraste con experimentos, y se muestra bajo que
configuración de parámetros el modelo predice la supresión de pseudo-órbitas.
Por otra parte, en el caso de cavitación inercial en el cual las burbujas de cavitación son
generadas en un campo de presión constante, se estudió cómo limita la inestabilidad de
forma Rayleigh-Taylor las máximas temperaturas que pueden alcanzar los contenidos
de gas dentro de la misma. Asimismo, se desarrolló un esquema de descomposición
en armónicos esféricos del contorno de una burbuja obtenido a partir de información
experimental, compatible con la teoría que predice la ruptura o no de la misma debido
a la mencionada inestabilidad de forma. |
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I25-R131-4212014-02-11T12:24:58Z Simulaciones numéricas de estabilidad en burbujas de cavitación acústica e inercial. Numerical simulations of stability on acoustic and inertial cavitating bubbles. Rechiman, Ludmila M. Ingeniería Cavitation Cavitación Bubble dynamics Dinámica de burbujas Shape instabilities Inestabilidades de forma hydrodynamic forces Fuerzas hidrodinámicas History force Fuerza de historia Window method Método de la ventana El colapso violento de burbujas ha demostrado ser un método efectivo de compresión para concentrar energía evidenciado en la posible emisión de luz en condiciones muy particulares de los parámetros que gobiernan el problema. Sin embargo, en el espacio de fases donde dicha figura de mérito aumenta se inducen inestabilidades que limitan los procesos de compresión. En este trabajo se estudia la dinámica de burbujas en dos casos particulares según el campo de presiones del líquido circundante a la misma, y las posibles inestabilidades que se pueden presentar en cada caso. En el caso de burbujas excitadas por un campo de presiones periódico impuesto por ultrasonido, nuestro propósito fue desarrollar un modelo que permita describir la “inestabilidad de trayectoria” que se presenta en burbujas inmersas en diferentes fluidos viscosos, y los posibles métodos para suprimir las pseudo-órbitas producto de dicha inestabilidad. Para ello, se implementó un modelo que de forma acoplada resuelve tanto la dinámica radial como de traslación que presentan dichas burbujas, resolviendo completamente las tres escalas temporales involucradas. Para la resolución de la fuerza de historia, que le atribuye la característica de ecuación integrodiferencial a la ecuaci ón que representa la dinámica de traslación, se empleó un nuevo método denominado “método de la ventana”. En este contexto, nuestro modelo es capaz de describir por primera vez las principales fuerzas hidrodinámicas que actúan sobre una burbuja en el régimen de respuesta lineal y no lineal inmersas en los principales fluidos de trabajo empleados en el campo de estudio de Sonoluminiscencia. Asimismo, dicho modelo permite identificar las regiones del espacio de fases donde se produce la inestabilidad de trayectoria originada debido a la acción de la fuerza de historia. Mostramos las características principales del modelo y contrastamos los resultados con predicciones teóricas existentes y con mediciones experimentales realizadas en nuestro laboratorio, demostrando consistencia entre ellos. Para poder realizar la comparación entre los datos experimentales y teóricos, se planteó un esquema iterativo cuyo propósito es mantener la concentración de gas no condensable disuelta en el líquido constante, parámetro que es el que efectivamente se controla en los experimentos reales. Asimismo, la herramienta de cálculo desarrollada permitió estudiar tres posibles métodos independientes para obtener burbujas espacialmente fijas, condición necesaria para su correcta caracterización experimental y presumiblemente para maximizar la concentración de energía. Dichos métodos son: amplitudes de campo de presión de excitación única suficientemente bajas, emplear un fluido de trabajo altamente desgasado y empleo de la excitación multi-frecuencia, armónica en la mayoría de los casos. Todos los métodos se analizan con el modelo numérico en contraste con experimentos, y se muestra bajo que configuración de parámetros el modelo predice la supresión de pseudo-órbitas. Por otra parte, en el caso de cavitación inercial en el cual las burbujas de cavitación son generadas en un campo de presión constante, se estudió cómo limita la inestabilidad de forma Rayleigh-Taylor las máximas temperaturas que pueden alcanzar los contenidos de gas dentro de la misma. Asimismo, se desarrolló un esquema de descomposición en armónicos esféricos del contorno de una burbuja obtenido a partir de información experimental, compatible con la teoría que predice la ruptura o no de la misma debido a la mencionada inestabilidad de forma. It is a known fact that strongly collapsing bubbles is an effective method for compression of the interior gas contents to obtain high energy concentrations. This fact is demonstrated by the emission of a brief flash of light under very specific conditions of the parameters that rule the problem. However, in the phase space where the figure of merit given by the energy concentration rises, several instabilities take place, thus limiting the process of compression. In the present work, we study the bubble dynamics in two particular cases according to the pressure field of the surrounding liquid, an also the possible instabilities that may be present in each case. In the case of bubbles driven by a periodic pressure field imposed by ultrasound, our purpose is to develop a model that allows to describe the “path instability” that may be present for bubbles in different viscous liquids and the possible methods that suppress the pseudo-orbits produced by the mentioned instability. To get these objectives accomplished, we implemented a model that solves in a coupled way the translational and the radial dynamics that characterize these bubbles by solving the three time scales involved. To solve the history force, which credits the translational equation to be an integrodifferential equation, we used a new method coined “window method”. In this context, the model is able to describe, for the first time, the principal hydrodynamic forces that act on these bubbles in the linear and non-linear response regime and in the main working fluids used in the Sonoluminescence study field. Furthermore, the model is able to show the regions of the phase space in which the path instability is developed due to the action of the history force. We detailed the main features of the model, and we compared results with current theoretical results reported in the literature as well as with experimental data, and we show good agreement between them. To be able to compare numerical results with experimental measurements, we developed an iterative scheme which allows to keep the gas concentration in the liquid constant, because this is the parameter which is effectively controlled in the real experiments. Moreover, the developed numerical tool allows us to study three different methods to get spatially stationary bubbles, condition that is necessary for the correct experimental characterization and presumably to maximize the energy concentration. We have studied three independent methods to get spatially fixed bubbles that consist in: keeping the amplitude of the pressure field below a certain threshold, using strongly degassed liquid and using multi-frequency excitation, harmonic in most of the cases. All methods were analyzed with the numerical model in comparison with experimental data, and it is also shown under what configuration of parameters the model predicts the suppression of the pseudo-orbits. On the other hand, we have studied the inertial cavitation of bubbles in which the inception and collapse is under a constant pressure field. In this case, we have studied how the shape instability Rayleigh-Taylor plays a role on the maximum attainable temperatures of the inside bubble contents. Furthermore, we have developed a numerical framework to make an axisymmetric decomposition in spherical harmonics of the bubble shape which is compatible with the theory that predicts its pinch-off or absence of it due to the Rayleigh-Taylor instability. 2013-08-28 Tesis NonPeerReviewed application/pdf http://ricabib.cab.cnea.gov.ar/421/1/1Rechiman.pdf es Rechiman, Ludmila M. (2013) Simulaciones numéricas de estabilidad en burbujas de cavitación acústica e inercial. / Numerical simulations of stability on acoustic and inertial cavitating bubbles. Tesis Doctoral en Ingeniería Nuclear, Universidad Nacional de Cuyo, Instituto Balseiro. http://ricabib.cab.cnea.gov.ar/421/ |