[論文レビュー] Single-bubble and multi-bubble cavitation in water triggered by laser-driven focusing shock waves

David Veysset, Ulisses J. Gutiérrez‐Hernández+6 more|arXiv (Cornell University)|Sep 20, 2017

Ultrasound and Cavitation Phenomena被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、リング状レーザーパルスを用いて、薄い水層内にレーザー駆動の衝撃波集束を実現し、単一気泡および多気泡のくぼみを生成することを示した。リングの中心に収束する衝撃波が形成され、引張応力が生じて中央に気泡が核化する。その後、環状気泡界面で跳ね返る衝撃波が反射し、三次の気泡クラウドを誘発する。より小さなレーザーリング半径は、より強い引張応力とより大きな気泡クラウドを生じさせ、時間分解画像法と1次元Eulerシミュレーションにより裏付けられた。

ABSTRACT

In this study a single laser pulse spatially shaped into a ring is focused into a thin water layer, creating an annular cavitation bubble and cylindrical shock waves: an outer shock that diverges away from the excitation laser ring and an inner shock that focuses towards the center. A few nanoseconds after the converging shock reaches the focus and diverges away from the center, a single bubble nucleates at the center. The inner diverging shock then reaches the surface of the annular laser-induced bubble and reflects at the boundary, initiating nucleation of a tertiary bubble cloud. In the present experiments, we have performed time-resolved imaging of shock propagation and bubble wall motion. Our experimental observations of single-bubble cavitation and collapse and appearance of ring-shaped bubble clouds are consistent with our numerical simulations that solve a one dimensional Euler equation in cylindrical coordinates. The numerical results agree qualitatively with the experimental observations of the appearance and growth of bubble clouds at the smallest laser excitation rings. Our technique of shock-driven bubble cavitation opens novel perspectives for the investigation of shock-induced single-bubble or multi-bubble cavitation phenomena in thin liquids.

研究の動機と目的

• 空間的に形状化されたレーザーパルスを用いた薄膜内における衝撃波誘発くぼみの挙動を調査すること。
• 衝撃波集束に続く単一気泡の核化および崩壊のダイナミクスを理解すること。
• 環状気泡界面での衝撃波反射によって生じる三次の気泡クラウド形成のメカニズムを調査すること。
• レーザーリング半径とくぼみ効率、気泡クラウドサイズとの相関関係を明らかにすること。
• 衝撃波伝播および引張応力の時間発展を数値シミュレーションで検証し、実験的観察を裏付けること。

提案手法

• 150-ps、800-nmのレーザーパルスをリング形状に整形し、炭素ナノ粒子をドーピングした10 µm 厚の水層に焦点合わせた。
• 時間分解マルチフレーム画像法により、ナノ秒分解能で衝撃波の伝播および気泡ダイナミクスを捉えた。
• 衝撃波集束により内向きに収束する衝撃波が生成され、跳ね返る波が中心部に引張応力を生じさせ、単一気泡の核化を誘発した。
• 跳ね返る衝撃波が環状に形成されたレーザー誘起気泡で反射し、引張波を生成することで三次の気泡クラウドが核化した。
• 1次元Euler方程式を円対称座標系で解く数値シミュレーションにより、衝撃波ダイナミクスをモデル化し、焦点部での引張圧力を予測した。
• レーザーリング半径Rを変化させ、衝撃圧および引張応力と気泡形成効率との相関関係を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 レーザー励起リングの半径が、衝撃波集束部における引張応力およびくぼみ効率にどのように影響を与えるか？
• RQ2 環状気泡界面での衝撃波反射に続く、三次の気泡クラウド形成のメカニズムは何か？
• RQ3 実験的観察による気泡核化および成長は、衝撃波誘発引張応力の数値予測とどのように一致するか？
• RQ4 衝撃波集束が、くぼみに適した高振幅一時的圧力を生成する役割を果たす仕組みは何か？
• RQ5 より小さなレーザーリング半径は、生成される気泡クラウドのサイズおよび強度をどの程度向上させるか？

主な発見

• リング中心部での最大引張圧力は数百MPaに達し、通常のくぼみ閾値をはるかに上回るため、強固な単一気泡核化が可能である。
• より小さなレーザーリング半径は、焦点部でのより高い引張応力を生じさせ、中央気泡の核化効率が向上する。
• 跳ね返る内向き衝撃波が環状気泡界面で反射し、引張波を生成することで、三次の気泡クラウドが形成される。
• 実験的観察では、より小さな励起リング半径に対してより大きな三次気泡クラウドが観測され、より高い反射引張圧力の数値予測と整合的であった。
• 1次元軸対称Eulerソルバーを用いた数値シミュレーションは、衝撃波伝播、集束、気泡核化の実験的ダイナミクスを定性的に再現した。
• 本手法により、衝撃波駆動くぼみのリアルタイム観察が可能となり、閉じた幾何形状内での高エネルギーくぼみの研究のためのプラットフォームを提供する。