Динамика одиночного пузырька

Ахатов И.Ш., Гумеров Н.А., Насибуллаева Э.Ш., Бутюгина Е.В.

ЦЕЛЬ:

Изучение динамики одиночного сферического пузырька в изотропном акустическом поле

Одиночный газовый пузырек в бесконечной несжимаемой жидкости с растворенным газом в отсутствии внешнего акустического поля неустойчив, потому что давление внутри пузырька больше давления в жидкости и, следовательно, пузырек будет медленно растворяться из-за диффузии газа из пузырька в окружающую жидкость и со временем исчезнет. Если же поместить пузырек в акустическое поле, то это вызовет колебания пузырька, причем во время расширения будет происходить диффузия газа из жидкости в пузырек, а во время сжатия – наоборот. Этот процесс называется "направленной" диффузией.

Динамика пузырька и концентрации газа у его стенки

Численно решая задачу о динамике пузырька, можно наблюдать изменение концентрации газа у его стенки (рисунок справа). Красной линией обозначена концентрация газа за пузырьком с течением времени, которая начинает убывать по мере роста пузырька, поскольку он вбирает в себя газ, растворенный в жидкости. Уменьшаясь, пузырек отдает принятый газ, и концентрация газа у стенки пузырька возрастает.

В конечном итоге, по результатам численного моделирования установлено, что приближенные теории направленной диффузии хорошо описывают случаи малой амплитуды управляющего давления и относительно больших пузырьков. В случае малых начальных радиусов и/или колебаний пузырька при больших амплитудах звукового давления, должна быть решена полная задача диффузии. С этой целью нами был разработан метод вычисления динамики сферического пузырька в изотропном акустическом поле. В случае малых начальных радиусов и/или колебаний пузырька при больших амплитудах звукового давления, должна быть решена полная задача диффузии. С этой целью нами был разработан метод вычисления динамики сферического пузырька в изотропном акустическом поле.

РЕЗУЛЬТАТЫ:

Показано, что изменение массы пузырька за счет диффузии может существенным образом сказываться на давлении газа в пузырьке. Обнаружены режимы колебания пузырька с малой амплитудой, при которых учет притока массы достаточно быстро приводит к колебаниям пузырька с «гигантским откликом», во время которого скорость направленной диффузии резко возрастает.