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Cavitation bubble dynamics inside a droplet suspended in a different host fluid

气泡 机械 空化 喷射(流体) 物理 渗透(战争) 材料科学 工程类 运筹学
作者
Shuai Li,Zhesheng Zhao,A‐Man Zhang,Rui Han
出处
期刊:Journal of Fluid Mechanics [Cambridge University Press]
卷期号:979 被引量:11
标识
DOI:10.1017/jfm.2023.1076
摘要

In this paper, we present a theoretical, experimental and numerical study of the dynamics of cavitation bubbles inside a droplet suspended in another host fluid. On the theoretical side, we provided a modified Rayleigh collapse time and natural frequency for spherical bubbles in our particular context, characterized by the density ratio between the two liquids and the bubble-to-droplet size ratio. Regarding the experimental aspect, experiments were carried out for laser-induced cavitation bubbles inside oil-in-water (O/W) or water-in-oil (W/O) droplets. Two distinct fluid-mixing mechanisms were unveiled in the two systems, respectively. In the case of O/W droplets, a liquid jet emerges around the end of the bubble collapse phase, effectively penetrating the droplet interface. We offer a detailed analysis of the criteria governing jet penetration, involving the standoff parameter and impact velocity of the bubble jet on the droplet surface. Conversely, in the scenario involving W/O droplets, the bubble traverses the droplet interior, inducing global motion and eventually leading to droplet pinch-off when the local Weber number exceeds a critical value. This phenomenon is elucidated through the equilibrium between interfacial and kinetic energies. Lastly, our boundary integral model faithfully reproduces the essential physics of the non-spherical bubble dynamics observed in the experiments. We conduct a parametric study spanning a wide parameter space to investigate bubble–droplet interactions. The insights from this study could serve as a valuable reference for practical applications in the field of ultrasonic emulsification, pharmacy, etc.
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