Computational fluid dynamics simulations of single-bubble evolution under synergy of ultrasound and an electrostatic field

气泡 空化 物理 振幅 电场 机械 半径 压缩性 相(物质) 两相流 压缩(物理) 流量(数学) 光学 热力学 量子力学 计算机科学 计算机安全
作者
Jin-Jie Deng,Ming Yu,Ri-Fu Yang
出处
期刊:Physics of Fluids [American Institute of Physics]
卷期号:36 (5)
标识
DOI:10.1063/5.0207309
摘要

In the study reported here, a two-phase flow model was developed for the evolution of a single bubble under ultrasonic irradiation coupled with an electrostatic force. We started with the following assumptions: (I) the liquid is incompressible, (II) the effect of gravity is negligible in the liquid, (III) the bubble is insulating, and no free charges are distributed on the liquid–gas interface, and (IV) the liquid contains only one bubble. Using computational fluid dynamics, we analyzed how the bubble shape evolves under various conditions, and the main findings are as follows: (1) With increasing electric field strength, the bubble reaches a larger maximum area and a smaller minimum area. Furthermore, during the positive phase of ultrasound, a higher electric field strength leads to faster compression and a more slender bubble. (2) As the initial bubble radius is increased from 3 to 5 μm, the cavitation becomes significantly stronger, but when the initial bubble radius reaches 10 μm, the cavitation intensity decreases instead because of greater compression resistance caused by there being more gas in the bubble. (3) Cavitation cannot be triggered under an excessively low acoustic pressure amplitude, and an excessively high acoustic pressure amplitude results in weaker cavitation; the appropriate acoustic pressure amplitude is considered to be 1.35 atm.
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