شبیه سازی عددی دینامیک رشد و فروپاشی حباب و بررسی اثر شکست حباب بر تنش برشی روی دیواره‌ی صلب با استفاده از اپن‌فوم

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه تبدیل انرژی، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه تربیت مدرس

2 دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه تربیت مدرس

چکیده

این پژوهش به بررسی عددی دینامیک رشد و فروپاشی حباب در نزدیکی یک دیواره صلب با استفاده از نرم‌افزار اپن‌فوم می‌پردازد. هدف اصلی این پژوهش، درک بهتر پدیده کاویتاسیون حباب‌ها و تأثیر آن بر تنش برشی دیواره است. در این راستا، یک مدل عددی توسعه داده شده‌است که شامل معادلات انرژی و دوفازی تراکم‌پذیر است. همچنین از فیلتر لافاری برای ردیابی دقیق سطح مشترک حباب استفاده می‌شود. این مدل با داده‌های تجربی صحت‌سنجی شده و توانایی پیش‌بینی دقیق رفتار حباب‌ها را نشان داده است. نتایج شبیه‌سازی نشان دهنده‌ی آن است که اختلاف فشار اولیه بین داخل حباب و محیط اطراف، نقش حیاتی در دینامیک حباب دارد. لحظه فروپاشی حباب با بیشینه دما، سرعت و فشار همراه است و انرژی حاصل از این فرآیند می‌تواند به صورت موج ضربه‌ای منتشر شود. در مرحله رشد حباب، سرعت سطح مشترک بسیار زیاد بوده و در لحظه بیشینه حجم، این سرعت تقریباً ناچیز است. علاوه بر این، تنش برشی بر روی دیواره در فواصل مختلف از حباب مورد بررسی قرار گرفته است. با تغییر عدد گاما (نسبت فاصله مرکز حباب تا سطح صلب به شعاع بیشینه حباب)، مقدار تنش برشی تغییر می‌کند. بیشترین تنش برشی در عدد گامای برابر با 2 مشاهده شده است که نشان‌دهنده‌ی قدرت بیشتر جت ناشی از شکست حباب در این فاصله است. این یافته‌ها می‌توانند در کاربردهایی مانند حذف ذرات از روی سطوح مفید باشند.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Numerical Simulation of Bubble Growth and Collapse Dynamics and Investigation of the Effect of Bubble Collapse on Shear Stress on a Rigid Wall Using OpenFoam

نویسندگان [English]

  • Reza Maddahian 1
  • Ali Dalvand 2
  • Sajad Khodadadi 2
1 Faculty of Mechanical Engineering, Tarbiat Modares University
2 Faculty of Mechanical Engineering, Tarbiat Modares University
چکیده [English]

This study presents a numerical investigation of the dynamics of bubble growth and collapse near a rigid wall using the OpenFOAM software. The main objective of this research is to gain a better understanding of the cavitation phenomenon of bubbles and its effect on wall shear stress. In this regard, a numerical model has been developed that includes energy equations and compressible two-phase flow. The Lafaurie filter is also used for accurate tracking of the bubble interface. This model has been validated against experimental data and has demonstrated the ability to accurately predict bubble behavior. results indicate that the initial pressure difference between the inside of the bubble and the surrounding environment plays a critical role in bubble dynamics.The moment of bubble collapse is associated with maximum temperature, velocity, and pressure, and the energy generated in this process can be released as a shock wave. During the bubble growth phase, the interface velocity is very high, and at the moment of maximum volume, this velocity is almost negligible. In addition, the shear stress on the wall at various distances from the bubble has been examined.By changing the gamma number (the ratio of the distance from the bubble center to the solid surface to the maximum bubble radius), the amount of shear stress changes.The highest shear stress has been observed at a gamma number equal to 2, indicating a stronger jet caused by bubble collapse at this distance. These findings can be useful in applications such as particle removal from surfaces.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Bubble Collapse
  • Shock Wave
  • Shear Stress
  • Daughter Bubble
  • OpenFoam