Анненкова Е.А., Сапожников О.А. «Нелинейная динамика жидких капель под воздействием интенсивных акустических волн» Нелинейный мир, 18, № 2, с. 33-41 (2020)

Постановка проблемы. Проблема описания нелинейной эволюции сферической стоячей волны в жидкой капле акустического фонтана является важной для такой задачи медицинской акустики, как гистотрипсия. В течение последних лет развивалась инновационная модификация метода под названием «гистотрипсия с кипением», в котором акустический фонтан имеет достаточно сложную форму. Наиболее просто акустический фонтан наблюдается на границе вода–воздух под воздействием фокусированного ультразвука мегагерцового диапазона частот. Скоростная съемка акустических фонтанов показала, что через некоторое время после включения источника ультразвука из жидкости вырывается струя, распадающаяся на цепочку из капель одинакового размера. Через некоторое время капли, обычно начиная с самой верхней, начинают по невыясненной пока причине терять устойчивость и взрываться, приводя к распылению жидкости. Проведенные недавно экспериментальные исследования поведения капель в акустическом фонтане позволили выявить, что непосредственно перед потерей устойчивости в центре прозрачной капли появляется темная точка, что указывает на возможный разрыв жидкости, то есть возникновение кавитации. Теоретическая модель описания данной задачи сложна и получение аналитических решений представляется возможным только в рамках упрощенных моделей. Для более полного описания задачи требуется использование методов численного моделирования. Цель. Провести теоретическое исследование физических процессов в жидких каплях при воздействии интенсивных акустических волн, используемых в ультразвуковой визуализации и терапии. Результаты. Построена численная модель нелинейной эволюции сферической стоячей волны в акустическом резонаторе сферической формы с абсолютно мягкой границей. Рассчитаны временные зависимости давлений и распределения температуры внутри акустического резонатора сферической формы и установлено, что на границе резонатора реализуются условия для возникновения неустойчивостей. На основе данной модели проанализировано поведение капли акустического фонтана и выявлены возможные причины ее неустойчивости (кавитация в центре капли и возникновение неустойчивостей на границе капли), приводящей к взрыву капли, который является одним из механизмов осуществления гистотрипсии в ультразвуковой терапии. Практическая значимость. Разработанная теоретическая модель нелинейного акустического резонатора сферической формы имеет характер фундаментальной задачи, имеющей аналоги в различных областях акустики помимо капель акустического фонтана.

Хмелев В.Н., Цыганок С.Н., Шакура В.А. «Ультразвуковое воздействие через промежуточные среды» Южно-Сибирский научный вестник, № 1, с. 63-74 (2020)

Приводятся исследования функциональных возможностей ультразвукового воздействия через промежуточные звукопроводящие среды. А именно, исследуется ультразвуковое воздействие на дисперсные среды с преимущественно жидкой фазой, которые находятся внутри пробирки. Актуальность такого подхода является в обеспечении кавитационного воздействия, при котором не происходит изменение стерильной атмосферы в обрабатываемой среде. Количественно измерено и качественно доказано, что при ультразвуковом воздействии через промежуточные среды внутри пробирки создаются схолпывающиеся кавитационные пузырьки. Их энергии достаточно для интенсификации технологических процессов, например, получения эмульсий различных растительных масел.

Голых Р.Н., Боброва Г.А., Хмелев В.Н., Барсуков Р.В., Генне Д.В., Абраменко Д.С., Шакура В.А., Титов Г.А., Ильченко Е.В. «Влияние длительности ультразвукового импульса на пороговую интенсивность колебаний, приводящую к возникновению кавитации в жидкостях различной вязкости» Южно-Сибирский научный вестник, № 2, с. 57-61 (2020)

Представлены результаты теоретических исследований импульсного ультразвукового воздействия на пороговую интенсивность, приводящую к возникновению кавитации. Предложена физико-математическая модель, которая описывает процесс возникновения кавитационных пузырьков при воздействии импульсным ультразвуком (высокочастотными синусоидальными колебаниями, модулированными по амплитуде прямоугольными импульсами), позволяет выявить динамику прямой диффузии газа, растворённого в жидкости, в полость кавитационного пузырька и, в конечном итоге, рассчитать пороговые интенсивности, при которых кавитационный пузырёк начинает схлопываться, от длительности ультразвукового импульса и вязкости жидкости.

Корнеев А.С., Жебынев Д.А., Фельдман А.М. «Расчетное и экспериментальное исследование трубы Вентури как гидродинамического генератора колебаний» Инженерно-физический журнал, 93, № 2, с. 443-450 (2020)

Представлена математическая модель нестационарного турбулентного течения жидкости при наличии кавитации в трубе Вентури в режиме автоколебаний, построенная на основе системы уравнений неразрывности и уравнений Навье–Стокса, модели турбулентности κ–ε и полной кавитационной модели. Получены экспериментальные и расчетные амплитудно-частотные характеристики колебаний. Выполнено их сопоставление. Ключевые слова: труба Вентури, кавитация, колебания давления, амплитудно-частотные характеристики,

Цзянь Чжан, Наймин Ци, Цзихай Цзян «Влияние вязкости гидравлической жидкости на кавитационную люминесценцию» Известия РАН. Механика жидкости и газа, № 3, с. 67-79 (2021)

Схлопывание кавитационных пузырьков в гидравлической системе приводит к возникновению локальных зон повышенных температуры и давления и – при определенных условиях – к люминесценции. В настоящей работе изучается влияние вязкости гидравлической жидкости на кавитационную люминесценцию. В гидравлическом коническом дроссельном клапане в качестве противоизносной жидкости используется гидравлическое масло с вязкостью 32 и 46 мм²/с при 40°С. Численное моделирование течения в коническом дроссельном клапане выполнено при различных значениях вязкости. Создание визуальной экспериментальной установки для изучения гидравлической кавитации позволило наблюдать кавитационную люминесценцию в клапане при трех различных параметрах гидравлического масла. По завершении эксперимента показатель вязкости масла возрастает, а температура затвердевания и температура вспышки уменьшаются. Таким образом, в результате люминесценции улучшаются характеристики зависимости между температурой и вязкостью и текучесть среды при низких температурах, но понижается безопасность системы.

Аганин А.А., Ильгамов М.А., Мустафин И.Н. «Ударная кавитация жидкости в цилиндрической емкости» Ученые записки Казанского государственного университета. Серия Физико-математические науки, 162, № 1, с. 27-37 (2020)

Рассматривается динамика жидкости в цилиндрической емкости и импульсное воздействие на ее днище при ударе по ее верхнему концу. Изучается случай, когда при ударе в столбе жидкости возле днища возникает кавитация. Исследование проводится в условиях известных экспериментов по разрушению бутылки в результате удара по ее верхнему концу. Применяются одномерные модели гидродинамики, линейной акустики и несжимаемой жидкости. Уравнения гидродинамики рассчитываются классическим методом С.К. Годунова. Изменение ускорения днища описывается кусочно-постоянной функцией, а кавитация моделируется одиночной кавитационной полостью в виде цилиндрического слоя между днищем и столбом жидкости. Кавитация возникает при падении давления жидкости ниже давления насыщенного пара. Показывается, что разрушение бутылки в экспериментах происходит вследствие гидроудара, вызванного коллапсом кавитационной полости, которая схлопывается в результате смещения столба жидкости. Влияние волн в столбе жидкости на его удар по днищу незначительно. При уменьшении давления на внешней поверхности жидкости от атмосферного ударное воздействие на днище убывает. Устанавливается также оптимальная высота столба жидкости для достижения больших давлений на днище.

Давлетшин А.И. «Взаимодействие газовых пузырьков в жидкости в акустическом поле с центрами на одной плоскости» Ученые записки Казанского государственного университета. Серия Физико-математические науки, 162, № 2, с. 148-159 (2020)

На основе использования дискретно структурной модели деформирования многослойных пластин при малых перемещениях, деформациях и учете внутреннего трения материалов слоев по модели Кельвина–Фойгта рассмотрены две задачи о прохождении моногармонической звуковой волны сквозь тонкую композитную прямоугольную пластину, шарнирно закрепленную в проеме абсолютно жесткой перегородки. При постановке первой задачи предполагается, что пластина находится между двумя полубесконечными пространствами и на нее падает плоская звуковая волна с заданным амплитудным значением давления звуковой волны. При постановке второй задачи считается, что пластина находится между двумя абсолютно жесткими преградами, одна из них за счет гармонических колебаний с заданной амплитудой перемещений формирует падающую на пластину звуковую волну, а другая неподвижна и имеет деформируемое энергопоглощающее покрытие из материала с высокими демпфирующими свойствами. Поведение акустических сред описывается классическими волновыми уравнениями, основанными на модели идеальной сжимаемой жидкости. Построены точные аналитические решения сформулированных задач, на их основе проведено исследование звукоизоляционных свойств и параметров напряженно-деформированного состояния композитной пластины, армированной углеродной тканью, в зависимости от частоты падающей на пластину звуковой волны. Показано, что при высокочастотном акустическом воздействии механику деформирования элементов конструкции из волокнистых композитов необходимо описывать уточненными уравнениями движения, имеющими большую степень точности и содержательности ввиду формирования в них практически трехмерного напряженно-деформированного состояния с компонентами одного порядка.

Котухов А.В., Гаврилюк В.С., Жарко Н.А., Минчук В.С., Дежкунов Н.В. «Исследование корреляции звуколюминесценции и кавитационного шума в поле фокусирующего излучателя» Проблемы физики, математики и техники, № 4, с. 32-36 (2020)

Выполнено исследование связи спектральных характеристик кавитационного шума и интенсивности звуколюминесценции (ЗЛ) в поле фокусирующего излучателя. Установлено, что наибольшая степень корреляции с интенсивностью звуколюминесценции из исследовавшихся параметров характерна для широкополосной составляющей кавитационного шума, т. е. интенсивности полного выходного сигнала датчика за вычетом всех гармоник и субгармоник. Этот результат позволяет сделать вывод, что широкополосная составляющая кавитационного шума генерируется захлопывающимися кавитационными полостями и, следовательно, может использоваться в качестве индикатора уровня активности нестационарной кавитации. Ключевые слова: кавитация, звуколюминесценция, захлопывание пузырьков, спектр кавитационного шума.

Прокофьев В.В., Очеретяный С.А., Яковлев Е.А. «Использование кавитационных автоколебательных режимов для генерации периодических импульсных струй» Прикладная механика и техническая физика, 62, № 1, с. 97-108 (2021)

Исследуется возможность использования струйных течений жидкости при наличии искусственной каверны с отрицательным числом кавитации для генерации периодических импульсных струй. Изучается течение в магистрали, состоящей из кавитатора, искусственной газовой каверны и сужающегося сопла, через которое жидкость и газ истекают в атмосферу. Экспериментально найдены режимы, когда характер истечения жидкости близок к прерывистому. Для таких режимов течения предложена одномерная модель, позволяющая оценить скорость истечения порций жидкости из сопла.

Хабеев Р.Н., Хабеев Н.С. «О распределении скоростей внутри парогазового пузырька, осциллирующего в акустическом поле» Инженерно-физический журнал, 94, № 1, с. 216-218 (2021)

Изучено распределение скоростей газовых частиц внутри парогазового сферического пузырька, колеблющегося в жидкости под воздействием акустического поля. Расчеты, проведенные для различных концентраций пара в пузырьке и различных чисел Пекле и Льюиса, показали, что отклонение профиля этих скоростей от линейной зависимости обычно не превышает 30%.

Гималтдинов И.К., Кочанова Е.Ю. «Фокусировка волны давления на границе пузырьковой жидкости» Инженерно-физический журнал, 94, № 2, с. 507-512 (2021)

Дан анализ фокусировки звуковых волн в цилиндрическом канале, заполненном чистой жидкостью и пузырьковой средой с границей раздела между ними в виде сферической поверхности, в результате их преломления на этой границе. Представлены результаты расчетов влияния частоты акустической волны, радиуса пузырьков и объемного содержания газа в газожидкостной смеси на расстояние фокусировки волны. Определены условия, при которых фокусное расстояние акустической линзы принимает максимальное и минимальное значения. Установлены условия, при которых может происходить как фокусировка, так и рассеяние звуковых волн.