Коллапс кавитационного пузырька: ударные волны в жидкости

Проведено исследование особенностей излучения (формирования, распространения и трансформации) радиально-расходящихся ударно-волновых импульсов, возникающих в жидкости (воде) в результате коллапса сферических кавитационных пузырьков. Такие импульсы представляют значительный интерес, поскольку на практике они могут быть как вредными (например, способствуя кавитационному повреждению лопастей гребных винтов), так и полезными (например, способствуя ультразвуковой очистке твердых поверхностей от загрязнений). Исследования выполнены с помощью математической модели, в которой движение пара в пузырьке и окружающей жидкости описывается уравнениями газовой динамики с учетом теплопроводности обеих сред и испарения-конденсации на поверхности пузырька. Решение находится методом С.К. Годунова в подвижных координатах, связанных с поверхностью пузырька. Основное внимание направлено на установление влияния радиуса пузырька в начале коллапса и температуры жидкости на амплитуду, форму и скорость распространения указанных ударно-волновых импульсов, а также на их затухание при распространении. Показано, что влияние начального радиуса пузырька в диапазоне от 1 до 4 мм сравнительно невелико и проявляется, главным образом, в начальной стадии до завершения формирования разрыва в переднем фронте импульса. Установлено, что с повышением температуры жидкости от 20 до 80°C расходящийся импульс возникает все более слабым и становится выраженным на все большем удалении от центра пузырька. С ростом температуры амплитуда разрыва в переднем фронте импульса постепенно уменьшается, а затем полностью исчезает: импульс становится безударным. При этом максимум давления в импульсе убывает, а его ширина возрастает. Продемонстрировано, что полученные результаты удовлетворительно согласуются с известными экспериментальными данными.