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Comprehensive analysis of spherical bubble oscillations and shock wave emission in laser-induced cavitation

气泡 冲击波 空化 机械 物理 消散 休克(循环) 振荡(细胞信号) 半径 移动冲击 冲击管 材料科学 光学 原子物理学 热力学 生物 内科学 医学 遗传学 计算机科学 计算机安全
作者
Xiaoxuan Liang,Norbert Linz,Sebastian Freidank,Guenther Paltauf,Alfred Vogel
出处
期刊:Journal of Fluid Mechanics [Cambridge University Press]
卷期号:940 被引量:77
标识
DOI:10.1017/jfm.2022.202
摘要

The dynamics of spherical laser-induced cavitation bubbles in water is investigated by plasma photography, time-resolved shadowgraphs, and single-shot probe beam scattering enabling to portray the transition from initial nonlinear to late linear oscillations. The frequency of late oscillations yields the bubble's gas content. Simulations with the Gilmore model using plasma size as input and oscillation times as fit parameter provide insights into experimentally not accessible bubble parameters and shock wave emission. The model is extended by a term covering the initial shock-driven acceleration of the bubble wall, an automated method determining shock front position and pressure decay, and an energy balance for the partitioning of absorbed laser energy into vaporization, bubble and shock wave energy, and dissipation through viscosity and condensation. These tools are used for analysing a scattering signal covering 102 oscillation cycles. The bubble was produced by a plasma with 1550 K average temperature and had 36 $\mu$m maximum radius. Predicted bubble wall velocities during expansion agree well with experimental data. Upon first collapse, most energy was stored in the compressed liquid around the bubble and then radiated away acoustically. The collapsed bubble contained more vapour than gas, and its pressure was 13.5 GPa. The pressure of the rebound shock wave initially decayed $\propto r^{-1.8}$, and energy dissipation at the shock front heated liquid near the bubble wall above the superheat limit. The shock-induced temperature rise reduces damping during late bubble oscillations. Bubble dynamics changes significantly for small bubbles with less than 10 $\mu$m radius.
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