Buborék interakciók numerikus vizsgálata a szonokémiában
A szonokémia lényege kémiai folyamatok hatékonyságának a növelése ultrahangos besugárzással. Egy buborék az ultrahangos besugárzás hatására oszcillálni kezd, azaz periodikusan kitágul és összeomlik. Bizonyos paraméterek mellett az összeomlás olyan nagy lehet, hogy a buborék átmérője és ezáltal a térfogata lényegesen lecsökken, így a buborékban lévő gáz nyomása és hőmérséklete jelentősen megnő. Ez az akusztikus kavitáció, amely kémiai folyamatokat indíthat be a buborékban. A szonokémiában a buborékok sugara néhány mikrométer és a besugárzás frekvenciája az ultrahang tartományba esik (>20kHz). Egyetlen gömb alakú buborék viselkedése leírható a Keller-Miksis egyenlettel és ez alapján az optimális paraméterek megtalálhatók a lehető legnagyobb kompresszió és hatásfok eléréséhez. Azonban egy szonokémia reaktorban több millió buborék is lehet, és a buborék-buborék illetve a buborék-akusztikus tér interakciók jelentősen csökkenthetik a kompresszió hatásfokát.
Egy szonokémia reaktorban számos különféle buborék-buborék interakció előfordulhat. A legegyszerűbb eset az összeolvadás és szétesés. Két egymáshoz közel elhelyezkedő buborék a kitágulás során összeolvadhat, illetve egy buborék széteshet több darabra egy összeomlás során. Előfordulhatnak komplexebb jelenségek, például egy tengelyszimmetrikus buborékösszeomlás során a buborékba a tengely mentén folyadéksugár áramolhat ami a buborékot szétszakítja, ez a folyadéksugár képes környező buborékokat is befolyásolni, például azok is széteshetnek. A buborék hatással lehet az akusztikus térre a buborékösszeomlás és szétesés során, amikor az nagy amplitúdójú nyomáshullámot bocsát ki, illetve a buborékok az akusztikus hullámot kitakarják és csillapítják.
A buborék és akusztikus tér interakciók szimulálása komplex feladat, hiszen ehhez egyrészt szükséges egy kétfázisú szimuláció a fázishatár pontos leírásával, ráadásul a fázishatár időben gyorsan változhat. Másrészt az akusztikus teret is szimulálni kell, amely a folyadék összenyomható modellezését igényli. Harmadrészt a használt ultrahang hullámhossza (néhány milliméter) és a buborék mérete (néhány mikrométer) között jelentős méretbeli különbség van, így az akusztikus tér és a buborékok együttes szimulációja nagyon nagy méretbeli különbséget igényel a numerikus hálóban. A dolgozatban a már korábban többször használt ALPACA szoftver kerül alkalmazásra. Az ALPACA képes többfázisú, összenyomható áramlások numerikus szimulációjára, így lehetséges mind a buborékok szimulációja, és az akusztikus tér figyelembe vétele is. Az ALPACA korszerű multiresolution algoritmust használ, amely a megfelelő paraméterek mellett képes a hálót automatikusan beállítani úgy, hogy a buborék határfelülete akár 1000-szer kisebb cellákkal kerüljön felbontásra, mint a tartomány buboréktól távolabbi részei.
A dolgozatban bemutatásra kerül az ALPACA megoldó és annak validálása szonokémiai szimulációk szempontjából releváns paramétertartományban. Ezután két buborékot tartalmazó tengelyszimmetrikus szimulációk beállításának a bemutatása következik és a különböző buborék interakciók is bemutatásra kerülnek. A cél a buborékok közti távolság hatásának a vizsgálalat a dinamikára.
szerző
konzulensek
-
Dr. Hegedűs Ferenc
Docens, Hidrodinamikai Rendszerek Tanszék -
Kalmár Péter
PhD-hallgató, Hidrodinamikai Rendszerek Tanszék
