Fluid DynamicsFluid DynamicsИзвестия Российской академии наук. Механика жидкости и газа1024-70843034-5340The Russian Academy of Sciences67213010.31857/S1024708424010032sebzvrArticlesСтатьиResearch ArticleThe diffusion stability of an externally driven cavitation bubble in micro-confinementДиффузионная устойчивость кавитационного пузырька в жидком микровключении под действием внешней вынуждающей силыLeonovК. V.ЛеоновК. В.
Russian Federation
k.leonoff@inbox.ruAkhatovI. Sh.АхатовИ. Ш.
Russian Federation
k.leonoff@inbox.ruBashkir State Medical UniversityБашкирский государственный медицинский университет270820241637627022025Copyright ©; 2024, Russian Academy of SciencesCopyright ©; 2024, Российская академия наук2024Russian Academy of SciencesРоссийская академия наукhttps://transsyst.ru/1024-7084/article/view/672130

The diffusion stability of a single cavitation bubble in a spherical liquid cell surrounded by an infinite elastic solid is considered. The time-periodic pressure in the solid far away from the liquid cell is used as an external driving, which initiates bubble oscillations along with the gas diffusion process in the bubble-in-cell system. The work is based on the engineering approximation according to which the bubble growth/reduction is considered on average, assuming that during the period of the external driving the mass of gas in the bubble does not noticeably change. This theory predicts the existence of stably oscillating bubbles in confined liquid undergoing an external driving force. Three possible diffusion regimes are revealed: 1) total bubble dissolution, 2) partial bubble dissolution, and 3) partial bubble growth, where the last two regimes provide the diffusion stability in the bubble-in-cell system. The parametric study of the influence of the gas concentration dissolved in the liquid on the resulting stable bubble size is conducted. The obtained results are compared with the results for the case of the stable bubble oscillations in the pressure sound field in a bulk (infinite) liquid. The theoretical findings of the present study can be used for improvement of the modern applications of ultrasound technology.

Рассматривается задача диффузионной устойчивости одиночного кавитационного пузырька в сферической ячейке жидкости (жидком микровключении), окруженной бесконечным упругим твердым телом. В качестве внешней вынуждающей силы используется периодическое во времени давление в твердом теле вдали от ячейки жидкости, которое инициирует колебания пузырька, сопровождающиеся процессом диффузии газа в системе пузырь–в–ячейке. Использовано инженерное приближение, согласно которому увеличение/уменьшение пузырька рассматривается в среднем в предположении, что за период внешнего воздействия масса газа в пузырьке заметно не меняется. Разработанная теория предсказывает существование устойчиво осциллирующих пузырьков в ограниченной жидкости под действием внешней вынуждающей силы. Выявлены три возможных режима диффузии: 1) полное растворение пузырька, 2) частичное растворение пузырька и 3) частичный рост пузырька; последние два режима соответствуют диффузионной устойчивости в системе пузырь–в–ячейке. Проведено параметрическое исследование влияния концентрации газа, растворенного в жидкости, на результирующий устойчивый размер пузырька. Полученные результаты сравниваются с результатами для случая устойчивых колебаний пузырька в звуковом поле давления в бесконечной жидкости. Теоретические выводы могут быть использованы для совершенствования современных приложений ультразвуковых технологий.

bubble dynamicscavitationultrasounddiffusionдинамика пузырькакавитацияультразвукдиффузияClift R., Grace J., Weber M. Bubbles, Drops and Particles. N. Y.: Academic Press, 1978. 380 p.Gondrexon N., Renaudin V., Boldo P., Gonthier Y., Bernis A., Pettier C. Degassing effect and gas-liquid transfer in a high frequency sonochemical reactor // J. Chem. Eng. 1997. V. 66(1). P. 21–26. https://doi.org/10.1016/S1385-8947(96)03124-5Kim W., Kim T.-H., Choi J., Kim H.-Y. Mechanism of particle removal by megasonic waves // Appl. Phys. Lett. 2009. V. 94 (8). P. 081908. https://doi.org/10.1063/1.3089820Lauterborn W., Kurz T. Physics of bubble oscillations // Rep. Prog. Phys. 2010. V. 73. P. 106501. https://doi.org/10.1088/0034-4885/73/10/106501Crum L.A., Mason T.J., Reisse J.L., Suslick K.S. Sonochemistry and Sonoluminescence. Springer Dordrecht. 1999. 404 p. https://doi.org/10.1007/978-94-015-9215-4Wang S.S., Jiao Z.J., Huang X.Y., Yang C., Nguyen N.T. Acoustically induced bubbles in a microfluidic channel for mixing enhancement // Microfluid Nanofluidics. 2009. V. 6. P. 847–852. https://doi.org/10.1007/s10404-008-0357-6Avvaru B., Venkateswaran N., Uppara P., Iyengar S.B., Katti S.S. Current knowledge and potential applications of cavitation technologies for the petroleum industry // Ultrason. Sonochem. 2018. V. 42. P. 493–507. https://doi.org/10.1016/j.ultsonch.2017.12.010Batchelor D.V.B., Armistead F.J., Ingram N., Peyman S.A., McLaughlan J.R., Coletta P.L., Evans S.D. The Influence of Nanobubble Size and Stability on Ultrasound Enhanced Drug Delivery // Langmuir. 2022. V. 38. P. 13943–13954. https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.2c02303Marmottant P., Hilgenfeldt S. Controlled vesicle deformation and lysis by single oscillating bubbles // Nature. 2003. V. 423. P. 153–156. https://doi.org/10.1038/nature01613Coussios C.C., Roy R.A. Applications of Acoustics and Cavitation to Noninvasive Therapy and Drug Delivery // Annu. Rev. Fluid Mech. 2008. V. 40. P. 395–420. https://doi.org/10.1146/annurev.fluid.40.111406.102116Stride E., Coussios C. Nucleation, mapping and control of cavitation for drug delivery // Nat. Rev. Phys. 2019. V. 1. P. 495–509. https://doi.org/10.1038/s42254-019-0074-yMoreno Soto Á., Lohse D., Van der Meer D. Diffusive growth of successive bubbles in confinement // J. Fluid Mech. 2020. V. 882. P. A6. https://doi.org/10.1017/jfm.2019.806Hsieh D., Plesset M.S. Theory of Rectified Diffusion of Mass into Gas Bubbles // J. Acoust. Soc. Am. 1961. V. 33. P. 206–215. https://doi.org/10.1121/1.1908621Lohse D. Fundamental Fluid Dynamics Challenges in Inkjet Printing // Annu. Rev. Fluid Mech. 2022. V. 54. P. 349–382. https://doi.org/10.1146/annurev-fluid-022321-114001Reinten H., Jethani Y., Fraters A., Jeurissen R., Lohse D., Versluis M., Segers T. Resonance behavior of a compliant piezo-driven inkjet channel with an entrained microbubble // J. Acoust. Soc. Am. 2022. V. 151. P. 2545–2557. https://doi.org/10.1121/10.0009784Fraters A., van den Berg M., de Loore Y., Reinten H., Wijshoff H., Lohse D., Versluis M., Segers T. Inkjet Nozzle Failure by Heterogeneous Nucleation: Bubble Entrainment, Cavitation, and Diffusive Growth // Phys. Rev. Appl. 2019. V. 12. P. 064019. https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.12.064019Eller A., Flynn H.G. Rectified Diffusion during Nonlinear Pulsations of Cavitation Bubbles // J. Acoust. Soc. Am. 1965. V. 37. P. 493–503. https://doi.org/10.1121/1.1909357Fyrillas M.M., Szeri A.J. Dissolution or growth of soluble spherical oscillating bubbles // J. Fluid Mech. 1994. V. 277. P. 381–407. https://doi.org/10.1017/S0022112094002806Brenner M.P., Lohse D., Oxtoby D., Dupont T.F. Mechanisms for Stable Single Bubble Sonoluminescence // Phys. Rev. Lett. 1996. V. 76. P. 1158–1161. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.76.1158Akhatov I., Gumerov N., Ohl C.D., Parlitz U., Lauterborn W. The role of surface tension in stable single-bubble sonoluminescence // Phys. Rev. Lett. 1997. V. 78. P. 227–230. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.78.227Hilgenfeldt S., Brenner M.P., Grossmann S., Lohse D. Analysis of Rayleigh-Plesset dynamics for sonoluminescing bubbles // J. Fluid Mech. 1998. V. 365. P. 171–204. https://doi.org/10.1017/S0022112098001207Brenner M.P., Hilgenfeldt S., Lohse D. Single-bubble sonoluminescence // Rev. Mod. Phys. 2002. V. 74. P. 425–484. https://doi.org/10.1103/RevModPhys.74.425Church C.C. The effects of an elastic solid surface layer on the radial pulsations of gas bubbles // J. Acoust. Soc. Am. 1995. V. 97. P. 1510–1521. https://doi.org/10.1121/1.412091Obreschkow D., Kobel P., Dorsaz N., de Bosset A., Nicollier C., Farhat M. Cavitation bubble dynamics inside liquid drops in microgravity // Phys. Rev. Lett. 2006. V. 97. P. 094502. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.97.094502Fourest T., Laurens J.M., Deletombe E., Dupas J., Arrigoni M. Confined Rayleigh-Plesset equation for Hydrodynamic Ram analysis in thin-walled containers under ballistic impacts // Thin-Walled Struct. 2015. V. 86. P. 67–72. https://doi.org/10.1016/j.tws.2014.10.003Vincent O., Marmottant P. On the statics and dynamics of fully confined bubbles // J. Fluid Mech. 2017. V. 827. P. 194–224. https://doi.org/10.1017/jfm.2017.487Wang Q.X. Oscillation of a bubble in a liquid confined in an elastic solid // Phys. Fluids. 2017. V. 29. P. 072101. https://doi.org/10.1063/1.4990837Leonov K., Akhatov I. Dynamics of an externally driven cavitation bubble in an elastic microconfinement // Phys. Rev. E. 2021. V. 104. P. 015105. https://doi.org/10.1103/PhysRevE.104.015105Leonov K., Akhatov I. The influence of dissolved gas on dynamics of a cavitation bubble in an elastic micro-confinement // J. Heat Mass Transf. Res. 2022. V. 196. P. 123295. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2022.123295Doinikov A.A., Marmottant P. Natural oscillations of a gas bubble in a liquid-filled cavity located in a viscoelastic medium // J. Sound Vibr. 2018. V. 420. P. 61–72. https://doi.org/10.1016/j.jsv.2018.01.034Leonov K., Akhatov I. Towards a theory of dynamics of a single cavitation bubble in a rigid micro-confinement // Int. J. Multiph. Flow. 2020. V. 130. P. 103369. https://doi.org/10.1016/j.ijmultiphaseflow.2020.103369Brennen C.E. Cavitation and Bubble Dynamics. N.Y.: Cambridge University Press, 2013. 268 p. https://doi.org/10.1017/CBO9781107338760Van Oosterom S., Schreier A., Battley M., Bickerton S., Allen T. Influence of Dissolved Gasses in Epoxy Resin on Resin Infusion Part Quality // Compos. Part A Appl. Sci. Manuf. 2020. V. 132. P. 105818. https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2020.105818Afendi Md, Banks W.M., Kirkwood D. Bubble free resin for infusion process // Compos. Part A Appl. Sci. Manuf. 2005. V. 36(6). P. 739–746. https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2004.10.030Shevtsov S., Zhilyaev I., Chang S-H., Wu J-K., Huang J-P., Snezhina N. Experimental and Numerical Study of Vacuum Resin Infusion for Thin-Walled Composite Parts // Appl. Sci. 2020. V. 10(4). P. 1485. https://doi.org/10.3390/app10041485