Modelling single cavitation bubble dynamics near compliant surfaces using OpenFOAM

Abstract

Cavitation bubbles are known to explosively expand and collapse, creating high-velocity liquid jets onto a nearby solid boundary and inducing strong shear flows and vortices along the boundary. Allowing the boundary to deform can significantly change the bubble and jetting dynamics and give rise to interesting flow phenomena. A viscous, compressible volume of fluid model for simulating a single bubble at a large seeding pressure in OpenFOAM is used to study its interaction with various boundaries. Three different computational solvers are developed to study the behaviour of the bubble near a perforated rigid boundary, a fluid-fluid interface, and an elastic solid boundary, respectively. The use of a bubble-induced jet as a microfluidic pump through a perforation in a rigid solid wall is investigated. The observed dynamics are categorised into three types of jetting regimes as a function of the stand-off distance and the wall thickness. Near a free boundary connected to a gaseous or liquid domain, a bubble may cause a breakup of the interface and spray/droplet formation, as well as a jet away from or towards the boundary, depending on the properties of both fluids on either side of the interface. In the case of a liquid-liquid interface, this is an underlying mechanism of bubble-based emulsification techniques. Water-in-oil emulsification mechanisms are investigated by creating a bubble in silicone oil near a similarly-sized water droplet. As a function of the stand-off distance and the viscosity ratio of the two liquids, two regimes of interface breakup are identified. A bubble created very close to a liquid-gas interface is studied, and a new type of liquid jet is observed that can pierce deep into the liquid bulk, the so-called “bullet jet”. A similar bubble is also placed inside a falling liquid droplet, where the same type of jet is found, along with secondary cavitation bubbles created by the reflection of the shock wave on the free boundary. The fluid solver is coupled to a finite volume solver for a linear elastic solid, which is used to model the stresses produced in the elastic solid by the jet and shock waves produced by a nearby collapsing bubble. The induced wall shear stress is investigated as a function of the stand-off distance, both for a planar and a ring-shaped wall geometry. A cavitation bubble confined between two elastic plates induces a surface acoustic wave, preceding the shock wave in the liquid and causing a tension region. This mechanism is used to investigate the role of local gas supersaturation caused by localised heating as cavitation bubble nuclei. With the same method, surface defects in glass are also found to be cavitation nuclei, making surface wave-created bubbles a viable method for surface damage detection and for creating bubbles with a controlled lifetime of less than 10 ns. Furthermore, it is found that the waves created by a shaped cavitation bubble can cause controlled surface damage. The role of the different waves in damage creation is evaluated by varying the time delay between the creation of two concentric circular wave sources. Finally, an ellipsoidal wave source is shown to create a surface crack along its minor semi-axis, while a point source can circularly extend the crack, thus enhancing the control over the length and the direction of the damage.

Es ist bekannt, dass Kavitationsblasen explosionsartig expandieren und kollabieren, dabei Flüssigkeitsjets mit hoher Geschwindigkeit auf naheliegende feste Oberflächen sowie starke Scher- und Wirbelströme entlang der Wand erzeugen. Ist es der Oberfläche erlaubt zu deformieren, so ändert sich die Blasen- und Jetbildungsdynamik und interessante Strömungsphänomene können auftreten. Ein viskoses, kompressibles Volume-of-Fluid- Modell für die Simulation einzelner Kavitationsblasen mit einem hohen Anfangsdruck in OpenFOAM wird verwendet, um die Wechselwirkung einer solchen Blase mit verschiedenen Oberflächen zu untersuchen. Drei verschiedene numerische Löser werden entwickelt, um das Verhalten der Blase in der Nähe einer perforierten festen Oberfläche, einer Fluid- Fluid-Oberfläche, und der Oberfläche eines elastischen Feststoffs zu untersuchen. Die Anwendung eines durch eine Blase erzeugten Jets als mikrofluidische Flüssigkeitspumpe durch eine perforierte Wand wird untersucht. Die beobachteten Dynamiken werden in Abhängigkeit des Blasenabstands und der Wanddicke in drei Jet-Regime kategorisiert. Nahe einer freien Oberfläche zu einem Gas oder einer Flüssigkeit kann eine Blase zu einem Aufbruch der Oberfläche und zur Spray-/Tropfenerzeugung führen, sowie, abhängig von den Eigenschaften der Fluide auf beiden Seiten der Oberfläche, einen Jet in Richtung oder entgegen der Oberfläche erzeugen. Im Fall einer Oberfläche zwischen zwei Flüssigkeiten ist dies ein unterliegender Mechanismus für blasenbasierte Emulsifikationstechniken. Mechanismen der Wasser-in-Öl-Emulsifikation werden untersucht, indem eine Blase in Silikonöl nahe eines Wassertropfens ähnlicher Größe erzeugt wird. In Abhängigkeit des Blasenabstandes und dem Verhältnis der Viskositäten beider Flüssigkeiten werden zwei Regime des Oberflächenaufbruchs identifiziert. Bei einer Blase nahe einer freien Oberfläche wird ein neuartiger Jet beobachtet, der tief in die Flüssigkeitsdomäne eindringen kann, der sogenannte Bullet-Jet. Eine ähnliche Blase wird auch in einem fallenden Flüssigkeitstropfen initiiert, wo ein gleichartiger Jet beobachtet wird, zusammen mit sekundären Kavitationsblasen, die durch die an der freien Oberfläche reflektierten Stoßwelle erzeugt werden. Der Fluidlöser wird an einen finite-Volumen-Löser für einen linear-elastischen Feststoff gekoppelt. Dieser wird zur Modellierung der Spannungen verwendet, die durch den Jet und die Stoßwellen einer kollabierenden Blase in einem elastischen Feststoff erzeugt werden. Die erzeugte Wandschubspannung wird in Abhängigkeit des Blasenabstandes untersucht, sowohl für eine planare, als auch für eine ringförmige Wandgeometrie. Eine zwischen zwei elastischen Platten eingeschlossene Kavitationsblase erzeugt eine akustische Oberflächenwelle, die sich schneller als die Stoßwelle in der Flüssigkeit fortpflanzt und eine Region negativen Drucks hervorruft. Dieser Mechanismus wird genutzt, um zu untersuchen, ob eine durch lokales Heizen erzeugte lokale Gasübersättigung als Blasenkeim fungieren kann. Mit der gleichen Methode wird beobachtet, dass auch Oberflächendefekte als Blasenkeime dienen können, weshalb Oberflächenwellen eine Methode zur Detektion von Oberflächenschäden und zur kontrollierten Erzeugung von Blasen mit einer Lebenszeit von unter 10 ns darstellen. Des Weiteren wird gezeigt, dass eine geformte Kavitationsblase kontrolliert Oberflächenschäden verursachen kann. Die Rolle der verschiedenen Wellen bei der Schadenserzeugung wird durch die Variation des Zeitversatzes zwischen der Erzeugung zweier konzentrischer ringförmiger Wellenquellen untersucht. Schließlich wird gezeigt, dass eine elliptische Wellenquelle einen Oberflächenriss entlang ihrer kleinen Halbachse erzeugt, während eine Punktquelle einen Riss kreisförmig fortsetzen kann, womit die Kontrolle über die Länge und die Richtung des Schadens verbessert wird.