[논문 리뷰] Single-bubble and multi-bubble cavitation in water triggered by laser-driven focusing shock waves

David Veysset, Ulisses J. Gutiérrez‐Hernández외 6명|arXiv (Cornell University)|2017. 09. 20.

Ultrasound and Cavitation Phenomena인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 고체 막대를 이용한 레이저 구동 충격 집중을 통해 고체 막대를 이용한 레이저 구동 충격 집중을 통해 얇은 물층에서 단일 기포 및 다중 기포 캐비테이션을 생성한다. 고리 모양의 레이저 펄스를 사용하여 고리 중심에서 수축하는 충격파가 형성되며, 이는 인장 응력을 유도하여 중심 기포를 핵형성한다. 이후 고리형 기포 표면에서 반사된 반사파가 세 번째 기포 클러스터를 유도한다. 더 작은 레이저 고리 반지름은 더 강한 인장 응력과 더 큰 기포 클러스터를 생성하며, 이는 시간 해상도 영상 촬영과 1차원 오일러 시뮬레이션을 통해 확인되었다.

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.

연구 동기 및 목표

• 공간적으로 형상화된 레이저 펄스를 사용하여 얇은 액체 필름에서 충격 유도 캐비테이션을 연구하는 것.
• 충격 집중 후 단일 기포 핵형성 및 붕괴 역학을 이해하는 것.
• 고리형 기포 인터페이스에서 충격 반사에 의한 제3의 기포 클러스터 형성 메커니즘 탐색.
• 레이저 고리 반지름과 캐비테이션 효율성 및 기포 클러스터 크기 간의 상관관계 규명.
• 충격파 전파 및 인장 응력 진화의 수치 시뮬레이션을 통해 실험 관측 결과를 검증하는 것.

제안 방법

• 150ps, 800nm 레이저 펄스가 고리 형태로 형상화되어 탄소 나노입자를 첨가한 10 µm 두께의 물층에 집중된다.
• 시간 해상도가 나노초 수준인 다중 프레임 영상 촬영을 통해 충격파 전파 및 기포 역학을 관측한다.
• 충격 집중은 내부 수축 충격파를 생성하며, 이는 반사되어 중심부에서 인장 응력을 유도하고 단일 기포 캐비테이션을 유도한다.
• 반사된 내부 충격파가 고리형 레이저 유도 기포에서 반사되며 인장파를 생성하여 제3의 기포 클러스터 형성 유도.
• 충격 역학을 모델링하고 집중부에서의 인장 압력을 예측하기 위해 원통 좌표계에서 1차원 오일러 방정식을 수치적으로 해결한다.
• 레이저 고리 반지름 R를 변화시켜 충격압력과 인장 응력이 기포 형성 효율성에 미치는 영향을 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 레이저 자극 고리의 반지름이 충격 집중부에서의 인장 응력과 캐비테이션 효율성에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ2 고리형 기포 표면에서 충격 반사 후 제3의 기포 클러스터 형성에 기여하는 메커니즘은 무엇인가?
• RQ3 기포 핵형성 및 성장에 대한 실험 관측 결과는 충격 유도 인장 응력의 수치 예측과 어떻게 비교되는가?
• RQ4 충격 집중이 고체 압력 변화를 유도하여 캐비테이션에 적합한 조건을 제공하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 더 작은 레이저 고리 반지름은 결과 기포 클러스터의 크기와 강도를 어느 정도 향상시키는가?

주요 결과

• 고리 중심에서의 최대 인장 압력은 수백 MPa에 이르며, 일반적인 캐비테이션 임계값을 훨씬 초월하여 강력한 단일 기포 핵형성이 가능하다.
• 더 작은 레이저 고리 반지름은 집중부에서 더 높은 인장 응력을 유도하여 중심 기포 핵형성 효율이 향상된다.
• 반사된 내부 충격파가 고리형 기포 표면에서 반사되며 인장파를 생성하여 제3의 기포 클러스터 형성이 유도된다.
• 실험 관측 결과, 더 작은 자극 고리 반지름일수록 더 큰 제3의 기포 클러스터가 관측되었으며, 이는 더 높은 반사 인장 압력 예측과 일치한다.
• 1차원 축대칭 오일러 해석기를 사용한 수치 시뮬레이션은 충격파 전파, 집중 및 기포 핵형성의 실험적 역학을 정성적으로 재현한다.
• 이 방법은 충격 유도 캐비테이션의 실시간 관측을 가능하게 하며, 제한된 기하학적 조건에서 고에너지 캐비테이션 연구를 위한 플랫폼을 제공한다.