Observations of Chain-Reaction Behavior at Bubble Collapse Using Ultra High Speed Video Camera

Abstract

Collapsing behavior of cavitation bubbles is a very short phenomenon. In this study a new ultra-high-speed video camera with the maximum frame speed of 106 fps is used to observe the detailed aspects of three cavitation patterns such as separated vortex cavitation in a convergent-divergent channel, Karman-vortex-like cavitation in the wake flow of a circular cylinder and vibratory cavitation in an ultrasonic vibratory apparatus. For a convergent-divergent channel, the re-entrant motion within the separation zone was observed together with bubble collapse in the divergent part. It was found that minute bubbles collapsed in a chain-reaction manner inside the separated zone with the re-entrant motion after the shedding of cavitation cloud. For the wake flow of a circular cylinder, a collapsing motion of cavitation was observed as an axial-collapse type. The successive bubble collapses after the collapse of main bubble were caused due to pressure wave near the flow field. For cavitation in a vibratory apparatus, cavitation bubbles on the vibratory disk surface were examined in detail, especially from the viewpoint of a non-cavitation ring. The disappearance of bubbles spread radially toward the outer region through the motion of vibratory horn.

Reentrant Motion in Cloud Cavitation due to Cloud Collapse and Pressure Wave Propagation

“…Through the existing results (see, the previous papers [8][9][10][11][12]) in addition to the present result shown in the preceding chapter, a periodic shedding and reentrant mechanism of cloud cavitation can be proposed as schematically shown in Fig. 6.…”

“…Through a high-speed video observation and an image analysis it is pointed out that the pressure wave due to the collapse of cloud shed downstream can induce the reentrant motion. A periodic structure of cloud cavitation is summarized using the present result together with previous results due to the authors [8][9][10][11][12]. As a result the whole process of cloud cavitation is explained in which cavitation clouds are shed periodically.…”

High Speed Observation of Periodic Cavity Behavior in a Convergent-Divergent Nozzle for Cavitating Water Jet

“…As a result, it is observed that there is a shorter periodic behavior of cavity length accompanied with a shrinking, growing and shedding motion of clouds which is caused due to the cavitation cloud unsteadiness by nature [16,17], which is not affected by upstream pressure fluctuation due to the plunger pump. Here, the Strouhal number based on cavity length l (St = nl/u) is estimated to be about 0.28, where u is mean flow velocity at the nozzle throat and n is frequency of cavity length oscillation.…”

Pressure-Wave Propagation in Cavitation Cloud and Its Image Analysis (Cavitating Water-Jet Impinging on Solid Wall)

“…キャビテーション現象において，キャビテーションクラウドの挙動は個々のキャビテーション気泡の動的挙動 と同様に重要な働きを果たす．衝撃性の強いキャビテーションクラウドの代表的な例は，水中での高速ウォータ ジェットの剪断層に生じる渦キャビテーションによって形成される微細気泡群である．これまでの多くの研究 (1) ～(6) によれば水中でのキャビテーティングウォータジェット(Cav-Jet と略する)は周期的に不連続なキャビテー ションクラウドを形成し，そのクラウド崩壊時に強い衝撃作用を呈することが知られている．この衝撃作用は産 業的に注目され，洗浄，切断・掘削，ピーニングなどに利用されている． キャビテーションクラウドにおける強い衝撃作用の機構については， 例えば Reisman ら (7) は急速なクラウド 崩壊を引き起こす収縮タイプ発生の条件を満たす時に，強い圧力波あるいは衝撃波が形成されることを理論的に 示している．著者らの既存の実験的研究 (8) (9) によれば，Cav-Jet が固体壁面に衝突するときキャビテーションク キャビテーションクラウドにおける圧力波伝播とその画像解析 © 2011 The Japan Society of Mechanical Engineers ラウドは急速に変形し，その崩壊時に強い衝撃作用を引き起こすことが示されている．つまり，キャビテーショ ンクラウドの崩壊がクラウドあるいは気泡の連続的な崩壊 (10) を引き起こし，衝撃性圧力パルスから成る複雑な 流れ場を形成することが指摘されている． 本研究の最終的な目的は，産業的にも学術的な観点からも重要である衝撃性キャビテーションクラウドを作り 出す基本的な機構を明らかにすることである．キャビテーションクラウドを有する周期的な非定常ウォータジェ ットが高速ビデオカメラを使用して高速度観察され，フレーム間差分法 (11) から圧力波の伝播速度の概略値を与えることができる．例えば右側方向への伝播速度は約170m/sと評価できる． この値よりクラウド状態における圧力波伝播速度の低下 (12) が確認できる． また，図 6(a)中の点 R 0 (z/d＝7.8)および点 R 1 (z/d＝14.6)はそれぞれ図 5(a)に示されるハイドロフォン…”