Akusztikusan gerjesztett buborékok nemlineáris dinamikája

The nonlinear dynamics of acoustically excited bubbles

Abstract

Under acoustic irradiation, small gas bubbles inside the liquid start to pulsate periodically, known as acoustic cavitation. This process consists of expansion and collapse phases, during which the pressure and temperature can reach 1000 bar and 8000 K, respectively. These conditions favour chemical yield, enabling energy-efficient ammonia and hydrogen production, and the generated shock waves can be applied, for example, in wastewater treatment. However, industrial applications are limited by scaling difficulties and low energy efficiency. Large bubbles are more energy-efficient but may lose the spherical shape due to pressure gradients, reducing chemical yield and shock wave strength. Therefore, large, spherical or closely spherical bubbles are preferred. A validated, parallelizable numerical model is required to determine the corresponding parameters and describe the bubble dynamics. This study aims to estimate the bubble model’s validity through measurement comparisons.

Kivonat

Akusztikus besugárzás hatására a folyadékban lévő kis gázbuborékok periodikus pulzálásba kezdenek, amit akusztikus kavitációnak nevezünk. Ez a folyamat tágulási és összeomlási fázisokra osztható, az utóbbi során a nyomás és hőmérséklet akár 1000 bar és 8000 K is elérheti. Ezen körülmények kedveznek a kémiai kihozatalnak, lehetővé téve az energiahatékony ammónia- és hidrogéntermelést, valamint a keletkező lökéshullámok alkalmazhatóak, például szennyvíztisztításban. Azonban az ipari alkalmazás a skálázási nehézségekkel és alacsony energiahatékonyság miatt ritka. Energiahatékonyság szempontjából a nagy méretű buborékok kedvezőek, melyek a nyomásgradiens hatására elveszíthetik gömbalakjukat, ami csökkenti a kémiai kihozatalt és a lökéshullámok erejét. Ezért a nagy, gömb vagy közel gömbi alakú buborékok alkalmazása előnyösebb. A megfelelő paraméterek meghatározásához és a buborékok dinamikájának leírásához validált, párhuzamosan futtatható numerikus modell szükséges. A tanulmány célja a buborékmodell érvényességi tartományának meghatározása mérésekkel való összehasonlítással.