Явления кавитации в микроскопическом объеме жидкости (Cavitation Phenomena in Microscale Confinement)

В медицине и промышленности акустическое излучение обычно применяется к сложным дисперсным системам, где во включениях жидкости могут возникать осциллирующие кавитационные пузырьки. Эти пузырьки находятся в ограниченном объеме, что изменяет их динамику в целом и массоперенос вокруг них в частности. В данной работе рассматривается нелинейная динамика сферического пузырька в микроскопической сферической жидкой ячейке, подверженной внешней вынуждающей силе. Жидкость предполагается сжимаемой и окруженной совершенно жесткой/упругой твердой средой. Показано, что зародыш пузырька с фиксированной массой газа внутри расширяется до конечного размера, когда давление в жидкой ячейке превышает критическое пороговое давление в ограниченной жидкости. В отличие от случая неограниченной жидкости, для зародыша пузырька в ограниченной жидкости существует критический размер жидкой ячейки R_l0^Critical, при котором кавитация не возникает. При R_l0>R_l0^Critical пузырек испытывает резкий рост до конечного размера под действием растяжения жидкой ячейки. При размере жидкой ячейки R_l0 меньше критического, кавитация полностью подавляется ограниченным объемом жидкости. Выведено обобщенное уравнение Рэлея-Плессета для пузырька в микроскопическом объеме сжимаемой жидкости и показаны три возможных режима динамики пузырька: (1) Безкавитационный режим; (2) Одиночное кавитационное расширение; (3) Множественная кавитация. Задача массопереноса в системе «пузырь-в-ячейке» приводит к трем возможным режимам диффузии: (1) Полное растворение пузырька; (2) Частичное растворение пузырька; (3) Частичный рост пузырька. Последние два режима обеспечивают диффузионную устойчивость в системе. Формирование устойчивого размера пузырька сопровождается переходной динамикой, включающей динамические режимы с активацией/деактивацией зарождения кавитации или их сочетанием.