[论文解读] 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 7

一句话总结

本研究通过环形激光脉冲在薄水层中实现激光驱动冲击波聚焦，生成单气泡和多气泡空化。在环形中心形成汇聚冲击波，产生拉应力，诱发中心气泡成核；随后，反弹冲击波在环形气泡界面反射，触发三级气泡云的形成。较小的激光环半径产生更强的拉应力和更大的气泡云，该结果通过时间分辨成像和一维欧拉模拟得到验证。

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.

研究动机与目标

• 利用空间调制的激光脉冲研究薄液膜中的冲击波诱导空化。
• 理解冲击波聚焦后单气泡成核与坍缩的动力学行为。
• 探索冲击波在环形气泡界面反射后形成三级气泡云的机制。
• 建立激光环半径与空化效率及气泡云尺寸之间的关联。
• 通过数值模拟验证实验观测结果，模拟冲击波传播与拉应力演化过程。

提出的方法

• 将150 ps、800 nm的激光脉冲整形为环形，并聚焦于掺有碳纳米颗粒以增强对比度的10 µm厚水层中。
• 通过时间分辨多帧成像技术，以纳秒级时间分辨率捕捉冲击波传播与气泡动力学过程。
• 冲击波聚焦产生向内汇聚的冲击波，反弹后在中心区域诱发拉应力，触发单气泡空化。
• 反弹的冲击波在激光诱导的环形气泡界面反射，生成拉伸波，从而诱发三级气泡云的形成。
• 数值模拟求解柱对称坐标系下的1D欧拉方程，以模拟冲击波动力学并预测焦点处的拉应力。
• 通过改变激光环半径R，关联冲击波压力与拉应力分布，分析其对气泡成核效率的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 激光激发环的半径如何影响冲击波焦点处的拉应力与空化效率？
• RQ2 冲击波在环形气泡界面反射后，导致三级气泡云形成的机制是什么？
• RQ3 实验观测到的气泡成核与生长行为与数值模拟预测的冲击波诱导拉应力之间有何异同？
• RQ4 冲击波聚焦在产生高幅值瞬态压力以实现空化方面起到何种作用？
• RQ5 较小的激光环半径在多大程度上增强了最终气泡云的尺寸与强度？

主要发现

• 环形中心处的最大拉应力可达数百MPa，远超典型空化阈值，从而实现稳定的单气泡成核。
• 较小的激光环半径在焦点处产生更高的拉应力，促进更高效的中心气泡成核。
• 反弹的内向冲击波在环形气泡界面反射，生成拉伸波，触发三级气泡云的形成。
• 实验观测显示，较小的激发环半径对应更大的三级气泡云，与数值模拟预测的更高反射拉应力一致。
• 采用一维轴对称欧拉求解器的数值模拟定性再现了实验中冲击波传播、聚焦及气泡成核的动力学过程。
• 该方法实现了对冲击波驱动空化的实时观测，并为研究受限几何结构中高能空化提供了有效平台。