Особенности лазероиндуцированной термокавитации воды

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

Исследованы особенности термокавитации воды вблизи торца волокна при ее нагреве непрерывным лазерным излучением с длиной волны 1.94 мкм. Динамические процессы изучались оптическими и акустическими методами. Установлено, что импульсы давления на начальном участке термокавитации, связанные с взрывным вскипанием воды, являются значительно меньшими по сравнению с импульсами давления при схлопывании образующихся парогазовых пузырьков. Спектр генерируемого акустического сигнала простирается свыше 10 МГц, при этом спектральные распределения наиболее низкочастотных и наиболее высокочастотных флуктуаций описываются законом 1/f. Показано, что пиковые мощности импульсов давления в отдельных актах термокавитации связаны с частотами их повторяемости зависимостью ~1/f1.4. Вейвлет анализ показал, что при термокавитации наблюдается чередование “случайных” и “каскадных” процессов. В специальном акустическом эксперименте было установлено, что на начальном этапе термокавитации рост давления происходит примерно в течение 250 нс. Относительно длительный рост давления объясняется тем, что взрывное вскипание происходит во многих точках объема перегретой жидкости, а цепная реакция последовательного появления критических зародышей связана с распространением ударных волн.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

В. И. Юсупов

Национальный исследовательский центр “Курчатовский институт”

Автор, ответственный за переписку.
Email: iouss@yandex.ru
Россия, 123182, Москва, пл. Академика Курчатова 1

Список литературы

  1. Chernov A.A., Pil’nik A.A., Levin A.A., Safarov A.S., Adamova T.P., Elistratov D.S. Laser-induced boiling of subcooled liquid: influence of the radiation power on the vapor bubble nucleation and growth // Int. J. Heat Mass Transf. 2022. V. 184. 122298. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2021.122298
  2. Koch M., Rosselló J.M., Lechner C., Lauterborn W., Mettin R. Theory-assisted optical ray tracing to extract cavitation-bubble shapes from experiment // Exp. Fluids. 2021. V. 62. P. 1–19. https://doi.org/10.1007/s00348-020-03075-6
  3. Chudnovskii V.M., Guzev M.A., Yusupov V.I., Fursenko R.V., Okajima J. Study of methods for controlling direction and velocity of liquid jets formed during subcooled boiling // Int. J. Heat Mass Transf. 2021. V. 173. 121250. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2021.121250
  4. Chudnovskii V.M., Yusupov V.I. Submerged jet generation by laser heating of a liquid surface // Technical Physics Letters. 2020. V. 46. P. 1024–1031. https://doi.org/10.1134/S1063785020100211
  5. Sullivan P., Dockar D., Borg M.K., Enright R., Pillai R. Inertio-thermal growth of vapour bubbles // J. Fluid Mechanics. 2022. V. 948. A55. https://doi.org/10.1017/jfm.2022.734
  6. Fan S., Duan F. A review of two-phase submerged boiling in thermal management of electronic cooling // Int. J. Heat Mass Transf. 2020. V. 150. 119324. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2020.119324
  7. Song W.D., Hong M.H., Lukyanchuk B., Chong T.C. Laser-induced cavitation bubbles for cleaning of solid surfaces // J. Appl. Phys. 2004. V. 95. P. 2952–2958. https://doi.org/10.1063/1.1650531
  8. Cheptsov V.S., Tsypina S.I., Minaev N.V., Yusupov V.I., Chichkov B.N. New microorganism isolation techniques with emphasis on laser printing // Int. J. Bioprinting. 2019. V. 5. N. 1. https://doi.org/10.18063/ijb.v5i1.165
  9. Grosfeld E.V., Zhigarkov V.S., Alexandrov A.I., Minaev N.V., Yusupov V.I. Theoretical and experimental assay of shock experienced by yeast cells during laser bioprinting // Int. J. Mol. Sci. 2022. V. 23. N. 17. 9823. https://doi.org/10.3390/ijms23179823
  10. Vogel A., Venugopalan V. Mechanisms of Pulsed Laser Ablation of Biological Tissues // Chem. Rev. 2003. V. 103. P. 577–644. https://doi.org/10.1021/cr010379n
  11. Robles V., Gutierrez-Herrera E., Devia-Cruz L.F., Banks D., Camacho-Lopez S., Aguilar G. Soft material perforation via double-bubble laser-induced cavitation microjets // Phys. Fluids. 2020. V. 32. N. 4. 042005. https://doi.org/10.1063/5.0 0 07164
  12. Chan K.F., Joshua Pfefer T., Teichman J.M., Welch A.J. A Perspective on Laser Lithotripsy: The Fragmentation Processes // J. Endourol. 2001. V. 15. N. 3. P. 257–273.
  13. Lekarev V. Yu., Dymov A.M., Vinarov A.Z., Sorokin N.I., Minaev V.P., Minaev N.V., Tsypina S.I., Yusupov V.I. Mechanism of lithotripsy by superpulse thulium fiber laser and its clinical efficiency // Appl. Sci. 2020. V. 10. N. 21. 7480 https://doi.org/10.3390/app10217480
  14. Chudnovskii V.M., Yusupov V.I., Dydykin A.V., Nevozhai V.I., Kisilev A.Y., Zhukov S.A., Bagratashvili V.N. Laser-induced boiling of biological liquids in medical technologies // Quantum Electron. 2017. V. 47. N. 4. P. 361–370. https://doi.org/10.1070/QEL16298
  15. Liu H., Wu Y., Hou C., Chen Z., Shen B., Luo Z., Liang H., Ma J., Guan B.O. Ultrasound pulse generation through continuous-wave laser excited thermo-cavitation for all-optical ultrasound imaging // APL Photonics. 2023. V. 8. 046102. https://doi.org/10.1063/5.0142684
  16. Yusupov V., Chudnovskii V. The Origin of Loud Claps during Endovenous Laser Treatments // J. Acoust. Soc. Am. 2023. V. 153. P. 1525–1533. https://doi.org/10.1121/10.0017436
  17. Chudnovskii V.M., Levin A.A., Yusupov V.I., Guzev M.A., Chernov A.A. The formation of a cumulative jet during the collapse of a vapor bubble in a subcooled liquid formed as a result of laser heating // Int. J. Heat Mass Transf. 2020. V. 150. 119286. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2019.119286
  18. Levin A.A., Safarov A.S., Chudnovskii V.M., Chernov A.A. Modeling of non-stationary temperature field in the neighborhood of the optical fiber end under laser pulse heating // Interfacial Phenom. Heat Transf. 2020. V. 8, N. 1. https://doi.org/10.1615/InterfacPhenomHeatTransfer.2020032806
  19. Padilla-Martinez J.P., Berrospe-Rodriguez C., Aguilar G., Ramirez-San-Juan J.C., Ramos-Garcia R. Optic cavitation with CW lasers: A review // Phys. Fluids. 2014. V. 26. N. 12. 122007. https://doi.org/10.1063/1.4904718
  20. Yusupov V.I., Chudnovskii V.M., Bagratashvili V.N. Laser-induced hydrodynamics in water and biotissues nearby optical fiber tip / in: Schulz H.E. (Ed.), Hydrodynamics – Advanced Topics, In Tech. 2011. P. 95–118. https://doi.org/10.5772/ 28517
  21. Yusupov V.I., Konovalov A.N., Ul’yanov V.A., Bagratashvili V.N. Generation of acoustic waves by cw laser radiation at the tip of an optical fiber in water // Acoust. Phys. 2016. V. 62. P. 537–544. https://doi.org/10.1134/S1063771016050183
  22. Воробьев Р.И., Сергеичев И.В., Карабутов А.А., Миронова Е.А., Саватеева Е.В., Ахатов И.Ш. Применение оптоакустического метода для оценки влияния пустот на трещиностойкость конструкционных углепластиков // Акуст. журн. 2020. Т. 66. № 2. С. 148–153. https://doi.org/10.31857/S0320791920020161
  23. Подымова Н.Б., Карабутов А.А. Преобразование термооптически возбуждаемых широкополосных импульсов продольных акустических волн в импульсы сдвиговых волн в изотропной твердотельной пластине в жидкости // Акуст. журн. 2021. Т. 67. № 5. С. 482–492. https://doi.org/10.31857/S0320791921040110
  24. Rastopov S.F., Sukhodol’sky A.T. Cluster nucleation in the process of CW laser induced thermocavitation // Phys. Lett. A. 1990. V. 149. N. 4. P. 229–232. https://doi.org/10.1016/0375–9601(90)90334-K
  25. Lauterborn W., Vogel A. Shock wave emission by laser generated bubbles / Bubble dynamics and shock waves. Springer: Berlin/Heidelberg, Germany. 2013. P. 67–103.
  26. Deng R., He Y., Qin Y., Chen Q., Chen L. Measuring pure water absorption coefficient in the near-infrared spectrum (900–2500 nm) // J. Remote Sensing. 2012. V. 16. N. 1. P. 192–206.
  27. Welch P.D. The use of fast Fourier transform for the estimation of power spectra: a method based on time averaging over short modified periodograms // IEEE Trans. Audio and Electroacoustics. 1967. V. 15. P. 70–73. https://doi.org/10.1109/TAU.1967.1161901
  28. Астафьева Н.М. Вейвлет-анализ: основы теории и примеры применения // Успехи физических наук. 1996. Т. 166. № 11. С. 1145–1170. https://doi.org/10.3367/UFNr.0166.199611a.1145
  29. Chudnovskii V.M., Maior A.Y., Yusupov V.I., Zhukov S.A. Laser-induced boiling of biological fluids. High Temperature. 2019. V. 57. N. 4. P. 531–538. https://doi.org/10.1134/S0018151X19040035
  30. Vargaftik N.B., Volkov B.N., Voljak L.D. International tables of the surface tension of water // J. Phys. Chem. Ref. Data. 1983. V. 12. P. 817–820. https://doi.org/10.1063/1.555688
  31. Yusupov V.I., Konovalov A.N. Features of heat/mass transfer and explosive water boiling at the laser fiber tip // Int. J. Therm. Sci. 2024. V. 203. 109131. https://doi.org/10.1016/j.ijthermalsci.2024.109131
  32. Hou L., Yorulmaz M., Verhart N.R., Orrit M. Explosive formation and dynamics of vapor nanobubbles around a continuously heated gold nanosphere // New J. Phys. 2015. V. 17. P. 013050. https://doi.org/10.1088/1367-2630/17/1/013050
  33. Samokhin A.A., Vovchenko V.I., Il’ichev N.N., Shapkin P.V. Explosive boiling in water exposed to q-switched erbium laser pulses // Laser Phys. 2009. V. 19. P. 1187–1191. https://doi.org/10.1134/S1054660X09050508
  34. Takamizawa A., Kajimoto S., Hobley J., Hatanaka K., Ohta K., Fukumura H. Explosive boiling of water after pulsed IR laser heating // Phys. Chem. Chem. Phys. 2003. V. 5. P. 888–895. https://doi.org/10.1039/B210609D
  35. Vogel A., Busch S., Parlitz U. Shock wave emission and cavitation bubble generation by picosecond and nanosecond optical breakdown in water // J. Acoust. Soc. Am. 1996. V. 100. P. 148–165. https://doi.org/10.1121/1.415878
  36. Frost D.L. Initiation of explosive boiling of a droplet with a shock wave // Exp. Fluids. 1989. V. 8. P. 121–128. https://doi.org/10.1007/BF00195785

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. (а) – Конфигурация установки для исследования термокавитации при непрерывном лазерном воздействии. (б) – Фотография торца волокна с пробным лучом. (в) – Кадры скоростной съемки с образованием и схлопыванием пузырька у торца волокна в результате термокавитации. 1 – лазер, 2 – оптоволокно, 3 – кювета с водой, 4 – широкополосный гидрофон, 5 – игольчатый гидрофон, 6 – предусилитель, 7 – осциллограф, 8 – скоростная камера, 9 – ПК, 10 – гелий-неоновый лазер, 11 – фокусирующая линза, 12 – пробный луч, 13 – фотодиод, 14 – пузырек.

Скачать (168KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Динамика мощности пробного луча гелий-неонового лазера при актах термокавитации с Р = 3 Вт. (а) – Серия актов термокавитации. (б) – Фрагмент сигнала при регистрации первого акта. (в) – Подробная запись участка с флуктуирующим сигналом, обведенного на рис. 2а красным пунктирным эллипсом.

Скачать (203KB)
Метаданные
4. Рис. 3. (а) – Акустический сигнал, зарегистрированный с помощью гидрофона 8103 при лазерном нагреве воды с Р = 1.3 Вт, (б) – его детальный фрагмент, отмеченный на рис. 3а красным пунктирным прямоугольником, и (в) – спектральная плотность мощности. Красной стрелкой отмечен максимальный пик в области 4.5 кГц. Пунктирными прямыми показаны зависимости 1/f и 1/f 2.

Скачать (192KB)
Метаданные
5. Рис. 4. (а) – Мощность акустического сигнала, зарегистрированного с помощью широкополосного гидрофона 8103 при лазерном нагреве воды с Р = 1.3 Вт, (б) – распределение пиковых мощностей при актах термокавитации по частотам их повторяемости и (в) – вейвлетограмма мощности. Красной стрелкой отмечен первый акт термокавитации. Голубой стрелкой на рис. 4в отмечена “древовидная” структура. Пунктирными прямыми показаны зависимости 1/f и 1/f 2 и тренд 1/f 1.4. На вставке рис. 4б показана гистограмма распределения актов термокавитации по пиковым мощностям.

Скачать (258KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Сравнение (а) – кадров скоростной съемки с (б) – акустическим сигналом, зарегистрированным с помощью широкополосного гидрофона 8103, и (в) – сигналом с фотодиода во время одного акта термокавитации при лазерном нагреве воды с Р = 3 Вт. Красная кривая на рис. 5б — часть акустического сигнала, увеличенная по амплитуде в 10 раз.

Скачать (151KB)
Метаданные
7. Рис. 6. (а) – Акустический сигнал, зарегистрированный с помощью игольчатого гидрофона при лазерном нагреве воды с Р = 3 Вт, (б) – детальный фрагмент с наиболее мощным импульсом, отмеченным на рис. 6а красной стрелкой, и (в) – спектральная плотность мощности. Пунктирными прямыми показаны зависимости 1/f и 1/f 2. Красными стрелками на спектре отмечены максимальные пики в области 5.3 и 10 МГц.

Скачать (146KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Акустический сигнал, зарегистрированный с помощью игольчатого гидрофона, расположенного соосно на расстоянии 1.5 мм от торца лазерного волокна. (а) – Акустический сигнал, (б) – детальный фрагмент начального участка, отмеченного красной стрелкой на рис. 6а, (в) – подробный вид начального импульса, отмеченного красной стрелкой на рис. 6б. Р = 3 Вт.

Скачать (133KB)
Метаданные
9. Рис. 8. (а) – Схема специального акустического эксперимента, (б) – возможные траектории распространения ударных и акустических волн и (в) – схематичное представление начальных процессов при термокавитации. 1 – лазерное волокно, 2 – игольчатый гидрофон, 3 – область с перегретой водой, 4, 5, 7 – траектории, 6 – область со взрывным вскипанием, инициированным ударной волной, 7 – микропузырьки, заполненные сжатым паром и микрокаплями воды, образовавшимися при распаде метастабильной жидкости. На рис. 8б условно показана ударная волна со скачком давления ΔP.

Скачать (234KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024