Н.А. ТЕТЕРЕВ

Московский инженерно-физический институт (государственный университет)
ЧИСЛЕННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЖИМА СОНОЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ ПУЗЫРЬКА ГАЗА

В ЖИДКОСТИ
Исследовано влияние параметров акустического поля и свойств жидкости на сонолюминесценцию одиночного пузырька газа. Проведена оценка длительности световых вспышек и объяснен процесс накачки энергии в пузырек.
Свечение одиночного пузырька в жидкости в ультразвуковом поле было обнаружено 15 лет назад, и сразу привлекло к себе большое внимание исследователей. Это явление было названо сонолюминесценцией, как и давно известный эффект многопузырькового свечения, возникающий при кавитационном режиме воздействия акустического поля на жидкую среду, хотя механизмы этих явлений различны [1].

Исследование режима сонолюминесценции одиночного пузырька проводилось в трех приближениях. Первое приближение – описание пульсаций пузырька газа с помощью уравнений Рэлей-Плесетского типа: уравнение Херинга-Флина, уравнение Келера-Миксиса, модель Гилмора. Во втором приближении использовался комбинированный подход, когда газ внутри пузырька рассматривался в газодинамическом приближении, а получающееся при этом значение давления на его поверхности являлось параметром для уравнений Рэлей-Плесетского типа. В третьей математической модели и газ и окружающая его жидкость рассматривались в гидродинамическом приближении сжимаемых сред. В отличие от [2] при моделировании газодинамического течения внутри газового пузырька использовалось уравнение состояния Ван-дер-Ваальса. Это позволило избежать возникновения необоснованно высоких плотностей газа при сжатии. Из-за большого температурного градиента в пузырьке в третьей математической модели учитывался процесс теплопроводности.

Расчеты, выполненные с учетом реального течения газа внутри пузырька, показали, что оно приводит к необратимости осцилляционной динамики даже в адиабатическом приближении, в отличие от решений по моделям Рэлей-Плесетского типа. В результате этого происходит накачка энергии в пузырек, а это в свою очередь изменяет частотные и амплитудные характеристики возникающих колебаний. На рисунке изображено изменение энергии газа в пузырьке радиусом 5.0 мкм в течение приблизительно 6-ти периодов акустической волны частотой 20 кГц с амплитудой акустического давления 125 кПа. В качестве отсчета энергии выбрана ее величина в начальный момент. На рисунке видно как с течением времени увеличивается энергия газа в пузырьке.

На основании результатов серии расчетов определена область возникновения режима сонолюминесценции для пузырька в воде в переменных частота – радиус пузырька. Проанализировано влияние на характер осцилляционной динамики таких параметров как радиус пузырька, частота акустического поля, амплитуда акустического давления, вязкость жидкости и поверхностное натяжение. Исследовано влияние на сонолюминесценцию наличия в пузырьке водяного пара согласно модели, предложенной в [1]. По профилю температурного пика, возникающего в центральной части пузырька, проведена оценка длительности вспышки однопузырьковой сонолюминесценции.

Проведенные численные эксперименты показывают, что газодинамическое течение газа внутри пузырька реализует режим накачки энергии внутрь пузырька, а это в свою очередь приводит к эффективному увеличению его равновесного радиуса. На основании полученных данных по распределению параметров газа внутри пузырька можно сделать вывод, что учет теплопроводности и применение в качестве уравнения состояния уравнения Ван-дер-Ваальса снижают пиковые значения температуры и давления.

Работа выполнена при финансовой поддержке МНТЦ, проект В-1213.

Список литературы

1. 
   Маргулис М.А. Сонолюминесценция // Успехи физических наук, 2000. Т. 170. № 3. С. 263-287.
   
2. 
   Teterev A.V., Misychenko N.I., Rudak L.V., and Doinikov A.A. Numerical model for the interaction of a gas bubble with a strong acoustic field // in CD-ROM Proc. of the 13th Int. Congr. on Sound and Vibration (ICSV13), Vienna, Austria, July 2-6, 2006, ISBN: 3-95-01554-5-7.