1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Теплофизика высоких температур
  4. T. 61, № 3, 2023

Теплофизика высоких температур, 2023, T. 61, № 3, стр. 436-442

Волновая динамика капель перфторуглерода в вязкоупругой жидкости

Д. А. Губайдуллин 1, Ю. В. Федоров 1, *

1 Институт механики и машиностроения – ОСП ФИЦ КазНЦ РАН
г. Казань, Россия

* E-mail: kopperfildd@ya.ru

Поступила в редакцию 06.06.2022
После доработки 06.07.2022
Принята к публикации 13.10.2022

Аннотация

Разработана математическая модель и представлено численное исследование роста парового пузырька в результате акустического испарения сферической капли перфторуглерода, находящейся в вязкоупругой жидкости. Рассмотрены линейные реологические модели Кельвина‒Фойгта, Максвелла, Зенера и Олдройда. Задача сводится к решению системы обыкновенных дифференциальных уравнений для радиуса и температуры пузырька, радиуса капли, нормальных напряжений на границе капли совместно с уравнениями теплопроводности для внутренней и внешней жидкости. Пространственная дискретизация уравнений осуществляется с помощью неявной конечно-разностной схемы. Обыкновенные дифференциальные уравнения решаются методом Рунге‒Кутты пятого порядка с адаптивным вычислительным шагом. Для проверки корректности численного счета в частном случае проведено сравнение теоретических результатов с известными экспериментальными данными. Продемонстрировано влияние модуля сдвига, времени релаксации упругой несущей фазы и различия реологических моделей на радиальную динамику пузырька пара внутри капли, находящейся во внешней вязкоупругой жидкости.

Список литературы

  1. Kripfgans O.D., Fowlkes J.B., Miller D.L., Eldevik O.P., Carson P.L. Acoustic Droplet Vaporization for Therapeutic and Diagnostic Applications // Ultrasound Med. Biol. 2000. V. 26. P. 1177.

  2. Sheeran P.S., Dayton P.A. Phase-change Contrast Agents for Imaging and Therapy // Curr. Pharm. Des. 2012. V. 18. P. 2152.

  3. Kee A.L.J., Teo B.M. Biomedical Applications of Acoustically Responsive Phase Shift Nanodroplets: Current Status and Future Directions // Ultrason. Sonochem. 2019. V. 56. P. 37.

  4. Rapoport N., Gao Z., Kennedy A. Multifunctional Nanoparticles for Combining Ultrasonic Tumor Imaging and Targeted Chemotherapy // J. Natl. Cancer Inst. 2007. V. 99. № 14. P. 1095.

  5. Sheeran P.S., Wong V.P., Luois S., McFarland R.J., Ross W.D., Feingold S., Matsunaga T.O., Dayton P.A. Decafluorobutane as a Phase-change Contrast Agent for Low-energy Extravascular Ultrasonic Imaging // Ultrasound Med. Biol. 2011. V. 37. P. 1518.

  6. Sheeran P.S., Luois S., Dayton P.A., Matsunaga T.O. Formulation and Acoustic Studies of a New Phase-shift Agent for Diagnostic and Therapeutic Ultrasound // Langmuir. 2011. V. 27. P. 10412.

  7. Sheeran P.S., Luois S., Mullin L.B., Matsunaga T.O., Dayton P.A. Design of Ultrasonically-activatable Nanoparticles Using Low Boiling Point Perfluorocarbons // Biomaterials. 2012. V. 33. P. 3262.

  8. Doinikov A.A., Sheeran P.S., Bouakaz A., Dayton P.A. Vaporization Dynamics of Volatile Perfluorocarbon Droplets: a Theoretical Model and in Vitro Validation // Med. Phys. 2014. V. 41. P. 102901.

  9. Shpak O., Stricker L., Versluis M., Lohse D. The Role of Gas in Ultrasonically Driven Vapor Bubble Growth // Phys. Med. Biol. 2013. V. 58. P. 2523.

  10. Шагапов В.Ш., Галимзянов М.Н., Вдовенко И.И. Особенности устойчивости и акустических свойств перегретой жидкости с газовыми зародышами при повышении давления // ТВТ. 2019. Т. 57. № 5. С. 748.

  11. Шагапов В.Ш., Галимзянов М.Н., Вдовенко И.И. Особенности отражения прохождения акустических волн на границе «чистой» и пузырьковой жидкостей при прямом их падении // ТВТ. 2019. Т. 57. № 2. С. 284.

  12. Cho S., Son G. A Level Set Method for Bubble Growth in Acoustic Droplet Vaporization // Int. Commun. Heat Mass Transfer. 2018. V. 93. P. 83.

  13. Cho S., Son G. Numerical Study of Droplet Vaporization under Acoustic Pulsing Conditions // J. Mech. Sci. Technol. 2019. V. 33. № 4. P. 1673.

  14. Park S., Son G. Numerical Investigation of Acoustic Vaporization Threshold of Microdroplets // Ultrason. Sonochem. 2021. V. 71. P. 105361.

  15. Rapoport N. Phase-shift, Stimuli-responsive Perfluorocarbon Nanodroplets for Drug Delivery to Cancer // Wiley Interdiscip Rev Nanomed Nanobiotecnol. 2012. V. 4. № 5. P. 492.

  16. Guedra M., Coulouvrat F. A Model for Acoustic Vaporization of Encapsulated Droplets // J. Acoust. Soc. Amer. 2015. V. 138. № 6. P. 3656.

  17. Lacour T., Brasier T., Coulouvrat F. Ultimate Fate of a Dynamical Bubble/Droplet System Following Acoustic Vaporization // Phys. Fluids. 2020. V. 32. P. 051702.

  18. Prosperetti A. Vapor Bubbles // Annu. Rev. Fluid Mech. 2017. V. 49. P. 221.

  19. Вараксин А.Ю. Гидрогазодинамика и теплофизика двухфазных потоков: проблемы и достижения // ТВТ. 2013. Т. 51. № 3. С. 421.

  20. Вараксин А.Ю. Двухфазные потоки с твердыми частицами, каплями и пузырями: проблемы и результаты исследований // ТВТ. 2020. Т. 58. № 4. С. 646.

  21. Губайдуллин Д.А., Никифоров А.А. Акустические волны в вязкоупругих пузырьковых средах // ТВТ. 2019. Т. 57. № 1. С. 150.

  22. Губайдуллин Д.А., Панин К.А., Федоров Ю.В. Акустика жидкости с покрытыми оболочкой каплями при наличии фазовых переходов // Изв. РАН. МЖГ. 2022. № 4. С. 41.

  23. Warnez M.T., Johnsen E. Numerical Modeling of Bubble Dynamics in Viscoelastic Media with Relaxation // Phys. Fluids. 2015. V. 27. P. 063103.

  24. Zilonova E., Solovchuk M., Sheu T.W.H. Bubble Dynamics in Viscoelastic Soft Tissue in High-intensity Focal Ultrasound Thermal Therapy // Ultrason. Sonochem. 2018. V. 40. P. 900.

  25. Zilonova E., Solovchuk M., Sheu T.W.H. Dynamics of Bubble-bubble Interactions Experiencing Viscoelastic Drag // Phys. Rev. E. 2019. V. 99. P. 023109.

  26. Губайдуллин Д.А., Федоров Ю.В. Акустические волны в жидкости с газовыми включениями, имеющими жидкую прослойку и вязкоупругую оболочку // ТВТ. 2021. Т. 59. № 4. С. 533.

  27. Yang H., Desyatov A.V., Cherkasov S.G., McConnell D.B. On the Fulfillment of the Energy Conservation Law in Mathematical Models of Evolution of Single Spherical Bubble // Int. J. Heat Mass Transfer. 2008. V. 51. P. 3623.

  28. Десятов А.В., Ильмов Д.Н., Кубышкин А.П., Черкасов С.Г. Математическое моделирование эволюции одиночного сферического парового пузырька на основе гомобарической модели // ТВТ. 2011. Т. 49. № 3. С. 436.

  29. Ильмов Д.Н., Черкасов С.Г. Теплофизические процессы при сжатии парового пузырька в жидком углеводороде на основе гомобарической модели // ТВТ. 2012. Т. 50. № 5. С. 676.

  30. Ильмов Д.Н., Филатов Н.И., Черкасов С.Г. Сжатие паровых включений в жидком водороде // Тепловые процессы в технике. 2015. № 8. С. 350.

  31. Hao Y., Prosperetti A. The Dynamics of Vapor Bubbles in Acoustic Pressure Fields // Phys. Fluids. 1999. V. 11. P. 2008.

  32. Десятов А.В., Ильмов Д.Н., Черкасов С.Г. Математическое моделирование эволюции одиночного сферического парового пузырька при его сжатии внешним давлением // ТВТ. 2008. Т. 46. № 1. С. 92.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Теплофизика высоких температур

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал