[논문 리뷰] Long-Pulse Laser-Induced Cavitation: A Race Between Advection and Phase Transition

Xuning Zhao, Wentao Ma외 4명|arXiv (Cornell University)|2023. 08. 23.

Ultrasound and Cavitation PhenomenaMaterials Science인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 압축성 다상유동, 레이저 복사 및 상전이를 결합한 계산 모델을 제안하여 장수명 펄스 레이저에 의한 기화기포의 형상 변화를 설명한다. 주요 메커니즘은 이동과 지속적 기화 사이의 경쟁이다: 기화가 이동을 앞서면 기울어진 conical 기포가 형성되고, 이동이 지배하면 구형의 배 모양 기포가 나타난다—이를 뒷받기기 위해 실험 기포 형상과 일치하는 시뮬레이션을 수행하였으며, 기화 지속 시간이 <1 μs(배 모양)와 >50 μs(기울어진 형태)임을 규명하였다.

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.

연구 동기 및 목표

• 장수명 펄스 레이저 유도 기화에서 비구형 기화기포 형상의 물리적 메커니즘을 이해하기 위해.
• 레이저 파arameter와 기포 형상(예: 배 모양 대비 콘형) 사이의 미해결된 인과적 연관성을 규명하기 위해.
• 상전이(기화)가 레이저 펄스 전체 기간 동안 지속되는지, 아니면 즉각적인 기화를 전제로 하는지 조사하기 위해.
• 흡수 계수 및 빔 너비와 같은 레이저 설정을 통해 기포 형상을 예측하고 제어할 수 있는 프레임워크를 개발하기 위해.

제안 방법

• 압축성 다상유체역학, 레이저 에너지 투입 및 상전이를 통합한 계산 모델을 개발하였다.
• 측정된 레이저 출력 프로파일을 입력으로 사용하여 Ho:YAG 및 툰륨 파이버 레이저를 사용한 두 가지 실험 설정을 시뮬레이션하였다.
• 고공간 해상도를 확보하기 위해 레이저 섬유 직경을 240개 이상의 요소로 해상한 미세한 계산 메esh를 사용하였다.
• 기포 성장 속도의 이동 및 기화 속도를 정의하고 추정하기 위해 단순화된 분석 모델을 활용하였다.
• 에너지 전달 및 기포 역학을 분석하기 위해 레이저 복사도, 온도, 속도 및 압력장을 추적하였다.
• 모델의 검증과 이동-기화 경쟁 가설의 시험을 위해 시뮬레이션 결과를 실험 기포 형상과 비교하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 장수명 펄스 레이저 기화에서 배 모양 기포와 기울어진 콘형 기포로의 전이를 지배하는 물리적 과정은 무엇인가?
• RQ2 장수명 펄스 레이저 조사 기간 동안 상전이(기화)가 상당한 기간 동안 지속되는가, 아니면 즉각적인 기화를 전제로 하는가?
• RQ3 이동과 기화의 상대적 속도가 기포 형상에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 흡수 계수, 빔 너비와 같은 레이저 파arameter는 어떤 것이 이 성장 메커니즘 중 하나의 지배성을 결정하는가?
• RQ5 이동과 지속적 기화의 경쟁에 기반하여 기포 형상을 예측하고 제어할 수 있는가?

주요 결과

• 시뮬레이션은 Ho:YAG 및 툰륨 파이버 레이저 실험에서 관찰된 배 모양 및 기울어진 기포 형상 모두를 정확히 재현하였다.
• 배 모양 기포의 경우 기화 지속 시간은 1 μs 미만이었지만, 기울어진 기포의 경우 50 μs를 초과하여 후자의 경우 지속적인 상전이가 일어남을 시사하였다.
• 기울어진 기포의 경우 기화에 의한 기포 성장 속도는 배 모양 기포의 경우보다 약 두 배수 정도 높았다.
• 이동 속도는 두 경우 모두 비교적 일정하게 유지되었으며, 이는 기포 형상의 차이가 주로 기화 속도의 차이에서 기인함을 시사한다.
• 이동과 기화의 경쟁이 기포 형상 결정에 기여한다는 가설은 시뮬레이션 기반의 속도 추정치에 의해 검증되었다.
• 더 높은 레이저 흡수 계수와 좁은 빔 너비는 기화 속도를 향상시키고 기울어진 기포 형성 촉진을 예측하였다.