Dynamics of cavitation bubbles in compressible two-phase fluid flow

Bachmann, Mathieu; Müller, Siegfried

doi:999910307418

Dynamics of cavitation bubbles in compressible two-phase fluid flow = Dynamik von Kavitationsblasen im kompressiblen Zweiphasenströmung

Bachmann, Mathieu (Author)

2012 & 2013

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Mathieu Bachmann

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2012

Umfang137 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2012

Prüfungsjahr: 2012. - Publikationsjahr: 2013

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Müller, Siegfried (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2012-11-15

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-45546
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/210408/files/4554.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Kavitationsblase (Genormte SW) ; Zweiphasenströmung (Genormte SW) ; Kompressible Strömung (Genormte SW) ; Chemie (frei) ; kompressible Zweiphasenströmung (frei) ; cavitation bubbles (frei) ; two-phase fluid flow (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 540

Kurzfassung
Wenn in Flüssigkeiten der Druck unter den Verdampfungsdruck absinkt, dann kommt es zur Verdampfung und es bilden sich Kavitationsblasen aus. Dieser Prozess wird daher auch als Kavitationsprozess bezeichnet. Kavitationsblasen treten bei verschiedenen Anwendungen auf, z.B. bei Schiffsschrauben, wo durch die Rotation der Schraubenblätter die Strömung beschleunigt wird und der Druck im Nachlauf absinkt. Falls diese Blasen in der Nähe von festen Strukturen kollabieren, wobei starke Stoßwellen entstehen und eine enorme Energie in die umgebende Flüsigkeit emittiert wird, dann kann die Struktur geschädigt werden. Schon 1917 hat Lord Rayleigh die Vermutung aufgestellt, dass durch Druckwellen, die durch kollabierende Blasen verursacht werden, Materialschäden an Schiffsschrauben entstehen. Dies wurde später durch experimentelle Untersuchungen anhand von laser-induzierten Kavitationsblasen bestätigt. Als wesentliche Ursache für die Kavitationsschädigung wurde dabei die Ausbildung eines Flüssigkeitsstrahls beobachtet. Obwohl zahlreiche experimentelle Untersuchungen verschiedene Effekte aufdeckten, so konnte bisher aufgrund von Einschränkungen derzeit verfügbarer Messtechniken ein Zusammenhang mit der Kavitationsschädigung nicht befriedigend erklärt werden. Hier können numerische Simulationen zu einem besseren Verständnis der komplexen Dynamik von Kavitationsblasen beitragen. Diese geben Einblick in das mehrdimensionale Strömungsfeld sowohl in der Flüssigkeit als auch im Dampf. Die Durchführung solcher Simulationen stellt aber aufgrund der physikalischen Modellierung, der numerischen Diskretisierung und der experimentellen Validierung eine große Herausforderung dar. Ein weiteres Problem besteht in den derzeit nicht aus dem Experiment genau bestimmbaren Anfangsdaten. Daher ist ein quantitativer Vergleich zwischen numerischen und experimentellen Ergebnissen kaum durchführbar. Im Rahmen dieser Arbeit wird eine genaue Untersuchung und Beschreibung der Wellendynamik in einem durch eine kollabierende Kavitationsblase induziertes Strömungsfeld durchgeführt. Ein besseres Verständnis dieses Prozesses kann neue Einsichten in den kausalen Zusammenhang mit der Materialschädigung ermöglichen, was derzeit experimentell kaum möglich erscheint. Dazu wird in dieser Arbeit ein adaptiver Finite-Volumen-Löser bezüglich Flüssigkeit-Gas-Anwendungen erweitert, wobei Instablitäten an der Phasengrenze vermieden werden. Dieser Löser wird anhand von exakten Lösungen und experimentellen Daten validiert. Dabei werden insbesondere der quasi-eindimensionale rotationssymmetrische Kollaps einer kugelförmigen Blase in einem unbegrenzten Strömungsfeld und die eindimensionale Interaktion einer Stoßwelle mit einer Blase betrachtet. Um die Ergebnisse mit experimentellen Messungen vergleichen zu können, werden geeignete Anfangsdaten benötigt. Dazu wird eine spezielle Initialisierungsstrategie entwickelt. Mit dem validierten Programm werden dann Untersuchungen zur Interaktion einer sogenannten „lithotripter shock wave” mit einer kollabierenden Blase und zum nicht symmetrischen Kollaps einer Gasblase in der Nähe einer festen Wand durchgeführt. Die numerischen Simulationen werden mit Experimenten zu laser-induzierten Kavitationsblasen verglichen, die an der Universität Göttingen durchgeführt wurden. Hochgeschwindigkeitsfotografie, Particle Image Velocimetry (PIV) und Druckmessungen ermöglichen den Vergleich (i) der Blasenkontour und der Wellenausbreitung, (ii) der Strömungsrichtung und der Geschwindigkeit in der die Blase umgebende Flüssigkeit und (iii) des Drucks außerhalb der Blase.

In liquid flow, the liquid vaporizes when the pressure drops below vapor pressure and cavities form. This phenomenon is called cavitation. Cavitation bubbles occur in several applications, e.g., at ship propellers, where the rotation of the blades accelerates the flow field and leads to a pressure drop behind them. These can collapse near rigid structures, emanating a strong shock wave and generating a high energy that can exceed the resistance of the nearby structure and, thus, cause material damage. In 1917, Lord Rayleigh conjectured that collapsing bubbles emanating pressure waves can cause material damage at ship propellers. This was confirmed later on by experiments with laser-induced cavitation bubbles. In particular, the formation of a liquid jet by collapsing bubbles near a rigid structure has been associated to its erosion. Although numerous experimental investigations have revealed several efects, their influence on material damage is still open due to limited measurement techniques. Here, numerical simulations can improve the understanding of the complex dynamics of cavitation bubbles because they provide insights in the multidimensional flow field in both the liquid and the gas. However, there are several dificulties to overcome arising in physical modeling, numerical discretization and experimental validation. Another problem is the lack of accurate initial data that cannot directly be determined from the experiments. Therefore a quantitative comparison of experimental and numerical results is hardly to achieve. The aim of the thesis is to provide an accurate description and prediction of the wave dynamics occurring in the flow field of collapsing cavitation bubbles. A better understanding of the process might give new insights in the causal connections with material damage that cannot be easily assessed by experiments. For the purpose of this thesis, an adaptive finite volume solver has been extended to liquid-gas applications in order to overcome the instabilities at the phase boundary. This solver is validated using exact solutions and experimental results. In particular, the quasi-one-dimensional symmetric collapse of a spherical cavitation bubble in a free field and the one-dimensional interaction of a shock wave with a bubble are considered. For comparison with experiments appropriate initial data are needed. For this purpose a strategy is developed in order to determine this state. The validated code is applied to the investigation of lithotripter shock waves interacting with a collapsing bubble and the asymmetric collapse of a gas bubble near a solid wall. The results are compared with experimental results that have been performed for the case of laser-induced cavitation bubbles at the university of Göttingen: (i) the shape of the bubble and the propagation of waves, (ii) the direction of the flow and its velocity in the surrounding liquid flow field and (iii) the pressure away from the bubble provided by high-speed photography, particle-image velocimetry (PIV) and pressure measurements, respectively.

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