Исследование процесса лазерно-индуцированного вскипания недогретой жидкости с образованием горячей затопленной струи

Исследован одиночный акт вскипания недогретой жидкости при воздействии на нее непрерывного лазерного излучения, передаваемого в рабочий объем посредством тонкого оптоволокна. Показано, что по прошествии определенного времени с момента включения лазера, при достижении жидкостью необходимого перегрева, вблизи торца оптоволокна зарождается одиночный паровой пузырек, который в процессе своей эволюции претерпевает следующие стадии: стадию быстрого роста за счет накопленного в жидкости тепла и стадию не менее быстрого схлопывания, обусловленную общим недогревом жидкости. Схлопывание пузырька приводит к образованию кумулятивной струи жидкости, распро-страняющейся по нормали от торца оптоволокна. Пронзая породивший ее пузырек, эта струя становится затопленной. Дальнейший коллапс пузырька приводит к практически полному исчезновению паровой фазы. Все это сопровождается достаточно сильными пульсациями давления в среде. 

Кадры высокоскоростной съемки эволюции паровой фазы при воздействии на жидкость лазерного излучения с длиной волны 1,94 мкм и мощностью 7 Вт. Интервал между кадрами 50 мс: (а) – прямое освещение; (б) – шлирен метод.

Показано, что динамика парового пузырька пузырька, а также механизм формирования горячей затопленной струи определяется распределением температурного поля к моменту нуклеации пузырька. Для описания процесса нуклеации, предложена соответствующая кинетическая модель; найдено время индукции. Для нахождения ключевых параметров, определяющих рассматриваемый процесс, проведена серия численных расчетов. К таким параметрам, прежде всего, относится энергия, запасенная в перегретой жидкости, которая и обуславливает последующий фазовый переход. Исследовано влияние мощности излучения и начальной температуры жидкости на рассматриваемый процесс. Показано, что это влияние не столь значительно, так как пузырьки, образованные в результате нагрева при различных мощностях излучения, растут в схожих температурных условиях, что обусловлено спецификой кинетики нуклеации.

Численное моделирование эволюции паровой фазы при воздействии лазерного излучения на жидкость: динамика поля скоростей. Интервал между кадрами 36 мс.

Выявлена взаимосвязь скорости распространения струи, которая составляет порядка десятка метров в секунду, размера первичного пузырька и мощности излучения лазера. Изучено влияние формы наконечника оптоволокна на характер исследуемого процесса. Продемонстрировано, что отклонение от идеальной цилиндрической формы наконечника приводит к тому, что генерируемая струя обладает меньшей скоростью и неконтролируемой направленностью. Показано, что по мере распространения струи вокруг нее происходит локальное понижение давления, что приводит к эффекту вторичного вскипания, приводящего к образованию вокруг струи протяженного парового включения, которое движется и эволюционирует вместе со струей. Данное включение влияет на динамику распространения самой струи. Проведены численные расчеты, которые качественно подтвердили сделанные на основе полученных экспериментальных данных предположения о природе рассматриваемого процесса.

ИТ СО РАН. Руководитель работы д. ф.-м. н., профессор РАН Андрей Александрович Чернов. Тел. +7 (383) 330-60-40.