マイクロスケール上の剛体球状粒子とキャビテーション気泡の相互作用

Cavitation bubble interaction with a rigid spherical particle on a microscale.

• Jure Zevnik
• Matevž Dular

抄録

マイクロスケール上での水没球に近いキャビテーション気泡崩壊を有限体積法を用いて数値的に検討し、これまでに疑われていた高速水ジェットの衝撃,気泡から放出される衝撃波の伝播,せん断荷重,熱荷重などの力学的効果が細菌細胞損傷を引き起こす可能性を明らかにした。本研究では、急激な周囲圧力の上昇により単一の気泡が崩壊した場合を想定して、格子収束研究と軸対称数値モデルのギルモア方程式に対する妥当性を検証した。また、無次元気泡-球間距離δと気泡サイズ比εの異なる値に対応した気泡-球間相互作用の数値シミュレーションを行った。得られた結果は、球体に向かって高速で薄い環状ジェットが発生するものから、ほぼ球体のような気泡崩壊まで、考慮されたパラメータ空間全体で大きく異なる気泡崩壊ダイナミクスを示している。より大きな気泡についての先行研究と類似した気泡形状の進行が存在するものの、表面張力が崩壊強度に与えるクッション効果のために、考慮されたスケールでは気泡の噴出がはるかに少ないことに気づくことができます。全体的に、球状粒子に対する機械的荷重は、球と気泡のサイズ比εが大きいほど増加し、その距離δが大きいほど減少する傾向があることが示された。さらに、流体力学的キャビテーションによるバクテリアの除菌についても議論した。マイクロスケールでの気泡-球相互作用の潜在的に有害な機械的影響、すなわち、数メガパスカルのピークを持つ崩壊誘発せん断荷重と、数百メガパスカルのピークと100MPa/μmの勾配を持つ空間的に非常に可変な圧縮荷重を引き起こす可能性のある気泡放出衝撃波の伝播が同定された。

Cavitation bubble collapse close to a submerged sphere on a microscale is investigated numerically using a finite volume method in order to determine the likelihood of previously suspected mechanical effects to cause bacterial cell damage, such as impact of a high speed water jet, propagation of bubble emitted shock waves, shear loads, and thermal loads. A grid convergence study and validation of the employed axisymmetric numerical model against the Gilmore's equation is performed for a case of a single microbubble collapse due to a sudden ambient pressure increase. Numerical simulations of bubble-sphere interaction corresponding to different values of nondimensional bubble-sphere standoff distance δ and their size ratio ε are carried out. The obtained results show vastly different bubble collapse dynamics across the considered parameter space, from the development of a fast thin annular jet towards the sphere to an almost spherical bubble collapse. Although some similarities in bubble shape progression to previous studies on larger bubbles exist, it can be noticed that bubble jetting is much less likely to occur on the considered scale due to the cushioning effects of surface tension on the intensity of the collapse. Overall, the results show that the mechanical loads on a spherical particle tend to increase with a sphere-bubble size ratio ε, and decrease with their distance δ. Additionally, the results are discussed with respect to bacteria eradication by hydrodynamic cavitation. Potentially harmful mechanical effects of bubble-sphere interaction on a micro scale are identified, namely the collapse-induced shear loads with peaks of a few megapascals and propagation of bubble emitted shock waves, which could cause spatially highly variable compressive loads with peaks of a few hundred megapascals and gradients of 100 MPa/μm.

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