Взаимодействие пузырьков в жидкости около плоской твердой стенки

Исследованы динамика регулярного и стохастических кластеров, состоящих из шестнадцати воздушных пузырьков, в воде около плоской жесткой стенки и силовое воздействие на эту стенку в комнатных условиях. Изначально в регулярном кластере центры одинаковых сферических пузырьков расположены в узлах плоской квадратной сетки, параллельной стенке. Стохастические кластеры образуются из регулярного внесением случайных начальных отклонений в положения пузырьков либо в их размеры. Давление воды изменяется по гармоническому закону. Использована дискретная модель совместной динамики пузырьков, в которой наряду с радиальными пульсациями пузырьков допускаются их перемещения и деформации, но не допускается их разрушение. Поэтому исследования проводятся лишь до тех пор, пока какой-либо пузырек кластера не разрушится. Изучены динамика пузырьков и их воздействие на стенку в зависимости от амплитуды колебаний давления воды, удаленности пузырьков от стенки, расстояния между пузырьками, диапазона случайной неоднородности начальных размеров пузырьков и случайной нерегулярности их начальных положений. Показано, что изменение величины и конфигурации поля давления на стенке во многом определяется несинхронной динамикой пузырьков. По мере уменьшения амплитуды колебаний окружающего давления, увеличения удаленности пузырьков от стенки и расстояния между пузырьками максимум давления на стенке монотонно понижается.

1. Воинов О.В., Воинов В.В. О схеме захлопывания кавитационного пузырька около стенки и образования кумулятивной струйки // Докл. АН СССР. 1976. Т. 227, № 1. С. 63–66.

2. Аганин А.А., Косолапова Л.А., Малахов В.Г. Численное моделирование эволюции пузырька газа в жидкости вблизи стенки // Матем. моделирование. 2017. Т. 29, № 7. С. 15–28.

3. Sarkar P., Ghigliotti G., Fivel M., Franc J.-P. Numerical investigation of the dynamics of pressure loading on a solid boundary from a collapsing cavitation bubble // Proc. 10th Int. Symp. on Cavitation (CAV2018). Katz J. (Ed.). ASME Press, 2018. P. 765–770. https://doi.org/10.1115/1.861851_ch146.

4. Lechner C., Lauterborn W., Koch M., Mettin R. Jet formation from bubbles near a solid boundary in a compressible liquid: Numerical study of distance dependence // Phys. Rev. Fluids. 2020. V. 5, No 9. Art. 093604. https://doi.org/10.1103/PhysRevFluids.5.093604.

5. Aganin A.A., Kosolapova L.A., Malakhov V.G. Numerical study of the dynamics of a gas bubble near a wall under ultrasound excitation // Lobachevskii J. Math. 2021. V. 42, No 1. P. 24–29. https://doi.org/10.1134/S1995080221010042.

6. Blake J.R., Robinson P.B., Shima A., Tomita Y. Interaction of two cavitation bubbles with a rigid boundary // J. Fluid Mech. 1993. V. 255. P. 707–721. https://doi.org/10.1017/S0022112093002654.

7. Shervani-Tabar M.T., Maghsoudi K. Numerical study on the splitting of a vapour bubble in the process of EDM // Int. J. Adv. Manuf. Technol. 2008. V. 38, No 7. P. 657–673. https://doi.org/10.1007/s00170-007-1123-8.

8. Aganin A.A., Guseva T.S., Kosolapova L.A., Malakhov V.G. Dynamics of an acoustically excited gas cavity attached to a rigid surface // Lobachevskii J. Math. 2019. V. 40, No 11. P. 1897–1903. https://doi.org/10.1134/S1995080219110040.

9. Kosolapova L.A., Malakhov V.G. Influence of the initial shape of a gas bubble on its dynamics near a wall under acoustic excitation // Lobachevskii J. Math. 2020. V. 41, No 7. P. 1235–1241. https://doi.org/10.1134/S1995080220070227.

10. Ma C., Shi D., Li C., Wang M., He D. Experimental research on the electric spark bubble load characteristics under the oblique 45 degree curved surface boundary // J. Mar. Sci. Eng. 2021. V. 9, No 1. Art. 32. https://doi.org/10.3390/jmse9010032.

11. Ma C., Shi D., Li C., He D., Li G., Lu K. Numerical study of the pulsation process of spark bubbles under three boundary conditions // J. Mar. Sci. Eng. 2021. V. 9, No 6. Art. 619. https://doi.org/10.3390/jmse9060619.

12. Cui R.-N., Li S., Wang S.-P., Zhang A.-M. Pulsating bubbles dynamics near a concave surface // Ocean Eng. 2022. V. 250. Art. 110989. https://doi.org/10.1016/j.oceaneng.2022.110989.

13. Aganin A.A., Kosolapova L.A., Malakhov V.G. Bubble dynamics near a locally curved region of a plane rigid wall // Phys. Fluids. 2022. V. 34, No 9. Art. 097105. https://doi.org/10.1063/5.0105955.

14. Rossinelli D., Hejazialhosseini B., Hadjidoukas P., Bekas C., Curioni A., Bertsch A., Futral S., Schmidt S.J., Adams N.A., Koumoutsakos P. 11 PFLOP/s simulations of cloud cavitation collapse // SC’13: Proc. Int. Conf. on High Performance Computing, Networking, Storage and Analysis. Denver, CO: IEEE, 2013. P. 1–13. https://doi.org/10.1145/2503210.2504565.

15. Tiwari A., Pantano C., Freund J.B. Growth-and-collapse dynamics of small bubble clusters near a wall // J. Fluid Mech. 2015. V. 775. P. 1–23. https://doi.org/10.1017/jfm.2015.287.

16. Zhang L., Zhang J., Deng J. Numerical investigation on the collapse of a bubble cluster near a solid wall // Phys. Rev. E. 2019. V. 99. Art. 043108. https://doi.org/10.1103/PhysRevE.99.043108.

17. Ogloblina D., Schmidt S.J., Adams N.A. Simulation and analysis of collapsing vapor-bubble clusters with special emphasis on potentially erosive impact loads at walls // EPJ Web Conf. 2018. V. 180. Art. 02079. https://doi.org/10.1051/epjconf/201818002079.

18. Zhang J., Zhang L., Deng J. Numerical study of the collapse of multiple bubbles and the energy conversion during bubble collapse // Water. 2019. V. 11, No 2. Art. 247. https://doi.org/10.3390/w11020247.

19. Ye J., Zhang J., Huang T. Direct numerical simulation of bubble cluster collapse: Shape evolution and energy transfer mechanisms // Processes. 2023. V. 11, No 7. Art. 2191. https://doi.org/10.3390/pr11072191.

20. Ma J., Hsiao C.-T., Chahine G.L. Numerical study of acoustically driven bubble cloud dynamics near a rigid wall // Ultrason. Sonochem. 2018. V. 40, Pt. A. P. 944–954. https://doi.org/10.1016/j.ultsonch.2017.08.033.

21. Zhang A.-M., Li S.-M., Cui P., Li S., Liu Y.-L. A unified theory for bubble dynamics // Phys. Fluids. 2023. V. 35, No 3. Art. 033323. https://doi.org/10.1063/5.0145415.

22. Zhang A.-M., Li S.-M., Cui P., Li S., Liu Y.-L. Theoretical study on bubble dynamics under hybrid-boundary and multi-bubble conditions using the unified equation // Sci. China: Phys., Mech. Astron. 2023. V. 66, No 12. Art. 124711. https://doi.org/10.1007/s11433-023-2204-x.

23. Aganin A.A., Davletshin A.I. А particle model of interaction between slightly non-spherical bubbles // Appl. Math. Model. 2024. V. 126. P. 185–205. https://doi.org/10.1016/j.apm.2023.10.031.

24. Davletshin A.I. Interaction of bubbles in liquid near a flat rigid wall // Lobachevskii J. Math. 2025. V. 46, No 5. P. 2005–2015. https://doi.org/10.1134/S1995080225607040.