Akusztikusan gerjesztett buborékok többfázisú numerikus szimulációja korszerű véges térfogat módszerrel
A szonokémia lényege a kémia folyamatok kihozatalának a növelése nagy intenzitású ultrahanggal. A módszer a kavitáció egyik speciális esetére, az akusztikus kavitációra alapul. Ennek lényege, hogy az ultrahangos besugárzás során buborékok és buborékfelhők keletkeznek, amik a gerjesztés hatására radiális pulzálásba kezdenek. A pulzálás során a kontrakció olyan nagy lehet, hogy a hőmérséklet elérheti a több ezer Kelvint, ezzel kémiai reakciókat indukálva. Szonokémia reaktorok szimulációjához elengedhetetlen az akusztikusan gerjesztett buborékok dinamikájának a leírása.
Ebben a dolgozatban egyetlen ultrahanggal gerjesztett buborék viselkedését vizsgálom véges térfogat módszerrel (finite-volume method, FVM). Egy ilyen típusú FVM szimuláció megfelelő megoldószoftvert igényel. Egy buborékszimulációban az áramlási térben egyszerre két fázis (itt víz és levegő) van jelen, a két anyag együttes jelenlétét kezelni szükséges. Továbbá a vizsgált ultrahang tartományban (20-100 kHz) a hullámhossz (néhány 10 mm) 3 nagyságrenddel nagyobb mint a buborékátmérő (néhány µm) ami az időben is változik. Ezért a háló nagyméretű időbeli és térbeli adaptációja szükséges. Ilyen típusú feladatokhoz olyan megoldót kell választani, amely képes összenyomható, többfázisú áramlások szimulációjára, folyamatos hálóadaptációval. A megoldó szoftver kiválasztásához további fontos kritérium a párhuzamosíthatóság és a szuperszámítógépekre való skálázhatóság, hiszen a probléma már 2 dimenzióban is rendkívül számításigényes. A választott megoldó a nyílt forráskódú ALPACA, amiben a két fázis szeparációja level-set módszerrel történik és a diszkretizáció adaptív változó felbontású (multiresolution, MR) hálóval valósul meg. Az ALPACA-t korábban már használták hasonló típusú problémára.
A dolgozatban bemutatom a használt numerikus módszerek alapjait, mint a level-set eljárást, az MR algoritmust és indoklom a szoftverválasztást. Bemutatom állóhullámok létrehozásának a lehetőségét és az eredményeket összehasonlítom az analitikus megoldással. Majd két dimenzióban levegőbuborékot helyezek az állóhullám legnagyobb nyomásamplitúdójú pontjába. Vizsgálom a probléma hálófüggetlenségét és skálázhatóságát, továbbá kitérek a 3 dimenziós szimulációs lehetőségekre is. Egy három dimenziós szimuláció összehasonlítható mérési adatokkal és használható új, a buborékok felületi instabilitását leíró egyszerűsített matematikai modellek verifikálására.
