Wall shear stress from jetting cavitation bubbles: influence of the stand-off distance and liquid viscosity

气泡 物理 喷射(流体) 机械 剪应力 雷诺数 粘度 空化 流体体积法 边界层 湍流 热力学 流量(数学)
作者
Qingyun Zeng,Hongjie An,Claus‐Dieter Ohl
出处
期刊:Journal of Fluid Mechanics [Cambridge University Press]
卷期号:932 被引量:82
标识
DOI:10.1017/jfm.2021.997
摘要

We study systematically the cavitation-induced wall shear stress on rigid boundaries as a function of liquid viscosity $\mu$ and stand-off distance $\gamma$ using axisymmetric volume of fluid (VoF) simulations. Here, $\gamma =d/R_{max}$ is defined with the initial distance of bubble centre from the wall $d$ and the bubble equivalent radius at its maximum expansion $R_{max}$ . The simulations predict accurately the overall bubble dynamics and the time-dependent liquid film thickness between the bubble and the wall prior to the collapse. The spatial and temporal wall shear stress is discussed in detail as a function of $\gamma$ and the inverse Reynolds number $1/Re$ . The amplitude of the wall shear stress is investigated over a large parameter space of viscosity and stand-off distance. The inward stress is caused by the shrinking bubble and its maximum value $\tau _{mn}$ follows $\tau _{mn} Re^{0.35}=-70\gamma +110$ (kPa) for $0.5<\gamma <1.4$ . The expanding bubble and jet spreading on the boundary produce an outward-directed stress. The maximum outward stress is generated shortly after impact of the jet during the early spreading. We find two scaling laws for the maximum outward stress $\tau _{mp}$ with $\tau _{mp} \sim \mu ^{0.2} h_{jet}^{-0.3} U_{jet}^{1.5}$ for $0.5\leq \gamma \leq 1.1$ and $\tau _{mp} \sim \mu ^{-0.25} h_{jet}^{-1.5} U_{jet}^{1.5}$ for $\gamma \geq 1.1$ , where $U_{jet}$ is the jet impact velocity and $h_{jet}$ is the distance between lower bubble interface and wall prior to impact.
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