Исследование кавитации, индуцированной лазерным нагревом жидких сред, а также сопутствующих явлений (динамических, тепловых, акустических) в интересах медицины

Кавитация, индуцированная лазерным нагревом жидких сред (термокавитация) известна достаточно давно (уже более 30 лет), но тем не менее является малоизученным явлением современной лазерной теплофизики, хотя может составлять основу ряда новых лазерных технологий, востребованных в технических приложениях и медицине. В данных технологиях лазерный генератор предлагается использовать в качестве нагревательного прибора, в котором роль нагревательного элемента выполняет дистальный кварцевый торец лазерного оптоволокна – сосредоточенный источник тепла. Непрерывное лазерное излучение распространяется по оптоволокну и через торец его кварцевой жилы попадает в жидкость. Излучение поглощается и нагревает жидкость, которая при достижении температуры насыщения локально (в окрестности торца оптоволокна) вскипает. Когда кипение недогрето до температуры насыщения, пузырьки, возникающие при кипении, становятся кавитационными, поскольку, не только нарастают, но и схлопываются, что порождает множество сопутствующих эффектов, например, генерацию кумулятивных струй и ударных волн. В отличие от кавитации акустической и гидродинамической при термокавитации струи нагреты. В медицине этими струями можно проводить бескровные хирургические операции, перфорировать, санировать и нагревать биологические ткани, а ударные волны могут разрушать патологические конкременты. В технических приложениях струи и акустические сигналы можно использовать для селективной очистки, обработки и санации различных технических поверхностей. В этой связи исследования механизмов возникновения термокавитации, а также методов управления многообразными сопутствующими эффектами представляется чрезвычайно актуальными. Ранее в проекте уже было исследован элементарный акт термокавитации, инициированный на лазерном нагревательном элементе, когда рассматривался один кавитационный пузырёк, нарастающий и схлопывающийся в процессе вскипания жидкости с недогревом. Было исследовано влияние на термокавитацию различных границ (щель, трубка, плоская поверхность). В результате были обнаружены новые эффекты, например, поворот затопленной струи вблизи плоской поверхности или ускоренное (струйное) всасывание жидкости при кавитации в трубке, но эти исследования были проведены для элементарного акта вскипания (единичный кавитационный пузырёк). Большую практическую значимость имеют исследования, охватывающие не один, а несколько пузырьков, которые последовательно генерируются в окрестности кончика оптоволокна, погружённого в жидкость. Пузырьки в своей динамике возмущают среду, что непосредственно сказывается на условиях возникновения собственно самих этих кавитационных пузырьков и всех сопутствующих эффектах, а также на температуре и скорости затопленных струй. Образуется обратная связь, исследование которой актуально также и для биологических жидкостей, например, крови, когда проводят лазерные манипуляции в кровеносных сосудах. В проекте также будет исследовано нестационарное кипение, когда кавитационные пузырьки нарастают и схлопываются в потоках движущейся жидкости. Результаты этих исследований могут представлять интерес для практических приложений, поскольку при санации и очистке поверхностей, а также в хирургии, лазериндуцированное кипение может протекать в движущейся, а не покоящейся среде. В проекте будут проведены обширные экспериментальные и теоретические исследования с широким представительством численных методов, направленные на поиск оптимальных параметров управления термокавитацией при длительном лазерном облучении, нестационарных условиях и различных границах, таких как трубки, щели, твёрдые и мягкие поверхности. Результаты будут использованы для разработки новых лазерных технологий хирургического лечения широкого круга распространённых заболеваний.