[論文レビュー] Long-Pulse Laser-Induced Cavitation: A Race Between Advection and Phase Transition

Xuning Zhao, Wentao Ma+4 more|arXiv (Cornell University)|Aug 23, 2023

Ultrasound and Cavitation PhenomenaMaterials Science被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、圧縮性多相流、レーザー放射、相転移を統合した計算モデルを提案し、長パルスレーザー誘発蒸気泡の形状変化を説明する。主なメカニズムは、対流と持続的蒸発のレースである：蒸発が対流を上回る場合、細長い円す型の泡が形成される。対流が優勢な場合、球形のピアス型の泡が出現する—シミュレーションは実験的泡の形状と一致し、ピアス型泡では1 μs未塔の蒸発持続時間、細長い泡では50 μsを超える持続時間を明らかにした。

ABSTRACT

Vapor bubbles generated by long-pulsed laser often have complex non-spherical shapes that reflect some characteristics (e.g., direction, width) of the laser beam. The transition between two commonly observed shapes - namely, a rounded pear-like shape and an elongated conical shape - is studied using a new computational model that combines compressible multiphase fluid dynamics with laser radiation and phase transition. Two laboratory experiments are simulated, in which Holmium:YAG and Thulium fiber lasers are used separately to generate bubbles of different shapes. In both cases, the bubble morphology predicted by the simulation agrees reasonably well with the experimental measurement. The simulated laser radiance, temperature, velocity, and pressure fields are analyzed to explain bubble dynamics and energy transmission. It is found that due to the lasting energy input (i.e. long-pulsed laser), the vapor bubble's dynamics is driven not only by advection, but also by the continuation of vaporization. Notably, vaporization lasts less than 1 microsecond in the case of the pear-shaped bubble, versus more than 50 microseconds for the elongated bubble. It is hypothesized that the bubble's shape is the result of a competition. When the speed of advection is higher than that of vaporization, the bubble tends to grow spherically. Otherwise, it elongates along the laser beam direction. To clarify and test this hypothesis, the two speeds are defined analytically using a simplified model, then estimated for the experiments using simulation results. The results support the hypothesis. They also suggest that a higher laser absorption coefficient and a narrower beam facilitate bubble elongation.

研究の動機と目的

• 長パルスレーザー誘発キャビテーションにおける非球形蒸気泡の形状の背後にある物理的メカニズムを理解すること。
• レーザーのパrameterと泡の形状（例：ピアス型対円す型）との間の未解決な因果関係を解明すること。
• 相転移（蒸発）が長パルスレーザー照射中に顕著な期間持続するか、それとも即時的であるかを検証すること。
• 吸収係数やビーム幅などのレーザー設定を用いて泡の形状を予測・制御するフレームワークを構築すること。

提案手法

• 圧縮性多相流動、レーザーエネルギーの導入、相転移を統合した計算モデルの開発。
• 測定済みのレーザー出力プロファイルを入力として、Ho:YAGおよびイットルニウムファイバー・レーザーを用いた2つの実験設定をシミュレート。
• レーザー繊維の直径を240個以上の要素で解像する細かい計算メッシュを採用し、高い空間分解能を実現。
• 泡の成長速度（対流および蒸発による）を定義・推定する簡略化された解析的モデルを用いた。
• エネルギー伝達および泡のダイナミクスを分析するために、レーザー放射度、温度、速度、圧力場を追跡。
• シミュレーション結果と実験的泡の形状を比較し、モデルの妥当性を検証するとともに、対流-蒸発競合仮説を検証。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 長パルスレーザーキャビテーションにおいて、ピアス型泡と細長い円す型泡の間の遷移を支配する物理的プロセスは何か？
• RQ2 長パルスレーザー照射中、相転移（蒸発）は顕著な期間持続するのか、それとも即時的であるのか？
• RQ3 対流と蒸発の相対的速さが泡の形状にどのように影響するか？
• RQ4 吸収係数やビーム幅などのレーザーパrameterは、一方の成長メカニズムが他方を上回るのをどのように影響するか？
• RQ5 対流と持続的蒸発の競合に基づいて、泡の形状を予測・制御できるか？

主な発見

• シミュレーションは、Ho:YAGおよびイットルニウムファイバー・レーザーを用いた実験で観察されたピアス型および細長い泡の形状を正確に再現した。
• ピアス型泡では蒸発持続時間が1 μs未塔であったが、細長い泡では50 μsを超えていたことから、後者では持続的相転移が確認された。
• 細長い泡のケースでは、蒸発による泡の成長速度がピアス型のケースと比較して約2桁高いことが判明した。
• 対流の速度は両ケースで比較的一定であり、泡の形状の違いは主に蒸発速度の差に起因することが示された。
• シミュレーションによる速度推定に基づき、泡の形状が対流と蒸発のレースに起因するという仮説が裏付けられた。
• より高いレーザー吸収係数とより狭いビーム幅は、蒸発速度を向上させ、細長い泡の形成を促進すると予測された。