Az ALPACA szoftvercsomag validációja nem gömbszimmetrikus buborékok szimulációjára
Nem gömbszimmetrikus buborékok elsősorban a szonokémia tudományában jelennek meg. 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 egy folyadék 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. Akusztikusan gerjesztett gömbszimmetrikus buborékok egyszerűen leírhatók a Keller-Miksis egyenlettel [1], azonban a buborékok gömbi alakja is elveszhet a pulzálás közben, ami lényegesen megnehezíti a buborékok dinamikai modellezését.
Ebben a dolgozatban egyetlen ultrahanggal gerjesztett buborék felületének a viselkedését vizsgálom az ALPACA szoftvercsomag használatával. Ez a szoftver képes többfázisú, össszenyomható áramlások szimulációjára, korszerű numerikus módszerek segítsével [2]. A két fázis együttes szimulációja a határfelület leírását igényli, azonban az ehhez használt algoritmusok sokszor csak heurisztikusak. Nem gömbszimmetrikus buborékok esetén azonban a határfelület pontos, fizikailag valós leírása szükséges, hiszen a határfelület a buborék pulzálása során folyamatosan változik. A gömbszimmetria elvesztése esetén a buborék alakja is rendkívüli jelentőséggel bír, hiszen egy esetleges buborékszétesés esetén ez határozza meg azt, hogy a buborék hány darabra esik szét.
Numerikus módszerek használata esetén a validáció egy nélkülözhetetlen eszköz, ez különösen igaz többfázisú hidrodinamikai szimulációk esetén. A cél valódi mérések eredményeinek a reprodukálása [3] az ALPACA segítségével, ezáltal garantálható az, hogy a szimuláció eredménye megfelel a valóságnak. A sikeres validáció után a paraméterek, mint például a buboréksugár és az akusztikus besugárzási frekvencia már szabadon állítható, ezáltal a numerikus szimulációkkal nagy mennyiségű, megbízható adatot lehet generálni, ami felhasználható lenne például a buborékszétesések jobb megértésére és pontos leírására.
A dolgozatban először bemutatom, hogy az ALPACA szoftver rendkívül jól működik gömbszimmetrikus buborékok szimulációjára, majd a nem gömbszimmetrikus buborékok szimulációja során fellépő nehézségek leírása következik. Továbbá bemutatom a validációhoz elengedhetetlen, a buborékfelület sorfejtésén alapuló kvantitatív összehasonlítást a szimuláció és a mérés között, illetve az ehhez elkészített saját posztprocesszáló programot.
Irodalom:
1. Keller, J.B., Miksis, M.: Bubble oscillations of large amplitude. The Journal of the Acoustical Society of America, vol 68, no. 2, 628-633 (1980)
2. Hoppe, N. et al.: ALPACA - a level-set based sharp-interface multiresolution solver for conservation laws. Computer Physics Communications, vol. 272, 108246 (2022)
3. Cleve, S. et al.: Microstreaming induced by acoustically trapped, non-spherically oscillating microbubbles. Journal of Fluid Mechanics, vol 875, 597-621 (2019)
