Паровая кавитация: максимальная фокусировка энергии и экстремальные состояния вещества

Цель проекта - разработка математических моделей, численных методов, комплексов программ расчета и исследование таких динамических явлений кавитации, как экстремальные состояния парогазовой среды кавитационных пузырьков при их сверхсильном сжатии и возникающие при этом внутри пузырьков аномально сильные микроразмерные ударные волны, деформации межфазной поверхности и ударных волн, гидродинамическое взаимодействие пузырьков, их поступательное движение в жидкости, ударные волны в жидкости в окрестности пузырьков, их воздействие на твердые стенки. Выполнено исследование особенностей коллапса парового пузырька в воде и ацетоне в зависимости от давления жидкостей в диапазоне от 1 до 100 бар при их температуре 293 К, начальном радиусе пузырька 500 мкм. Проведено сравнение случаев коллапса паровых пузырьков в ряде тяжеломолекулярных жидкостей (с давлением 50 бар) - ацетоне, бензоле и тетрадекане при их температуре 419, 453 и 663 К соответственно. Исследован коллапс кавитационного пузырька в горячем тетрадекане в зависимости от его давления в диапазоне 13 - 100 бар. Разработаны экономичные алгоритмы и программы расчета образования и радиального схождения несферических ударных волн в пузырьке при его коллапсе. При температурах жидкости, значительно ниже критических, коллапс пузырька разбивается на четыре стадии. На первой стадии сферическая и несферическая составляющие движения жидкости и пара описываются обыкновенными дифференциальными уравнениями (ОДУ) второго порядка. На второй стадии сферическая составляющая моделируется одномерными уравнениями газовой динамики (УГД), а несферическая - той же системой ОДУ. На третьей и четвертой стадии движение жидкости и пара описывается двумерными УГД. Определены особенности влияния малой начальной несферичности одиночного кавитационного пузырька в горячем тетрадекане на ударно-волновое сверхсжатие его содержимого, проведено сравнение этих особенностей с теми, что характерны для пузырька в холодном ацетоне. Методом сферических функций выведены новые уравнения динамики взаимодействующих друг с другом газовых пузырьков в трехмерном кластере. В этих уравнениях учитывается возможность сильных радиальных расширений - сжатий пузырьков, их перемещений в жидкости, а также возникновение малых по величине, но произвольных по форме пространственных деформаций поверхностей пузырьков. Разработаны алгоритмы и комплекс программ расчета этих уравнений, проведено их тестирование сравнением результатов расчетов ряда осесимметричных задач с результатами их расчетов в двумерной постановке. Выполнено исследование зависимости роста малой трехмерной несферичности кавитационного пузырька при его коллапсе в жидкости в акустическом поле от присутствия соседних пузырьков. Разработана методика численного исследования осесимметричной динамики одиночного пузырька в жидкости вблизи твердой поверхности, основанная на шаговом методе по времени и методе граничных элементов. Изучена динамика изначально сфероидального пузырька при его сжатии в зависимости от отношения полуосей сфероида и его удаленности от стенки. Исследована динамика одиночного пузырька вблизи плоской твердой стенки под действием гармонически изменяющегося давления в жидкости. Изучено влияние частоты, амплитуды акустического воздействия, начального расстояния между пузырьком и стенкой на динамику пузырька, его импульсное воздействие на стенку, возникающее в результате удара кумулятивной струи, образующейся при его коллапсе. Разработаны и протестированы алгоритмы и программы на основе метода CIP-CUP в сочетании с подходом без явного выделения межфазных границ для численного исследования ударных волн в жидкости, возникающих при сильно несферическом сжатии пузырька (в том числе с образованием кумулятивной струи). Выполнено исследование удара струй жидкости с разной затупленностью полусфероидального конца по неподвижной идентичной жидкости. Выполнено численное исследование начальной наиболее интенсивной стадии удара струи жидкости с полусфероидальной формой конца по сухой или покрытой тонким слоем идентичной жидкости твердой стенке в условиях, характерных для схлопывания кавитационного пузырька.