Shock waves from non-spherical cavitation bubbles
我们提出了详细的观察，在单一的空化气泡崩溃时发出的冲击波，同时使用时间分辨阴影和水听器压力测量。气泡的几何形状系统地从球形变化到非常非球形，通过减小它们到自由或刚性表面的距离或通过调制抛物线飞行上的重力引起的压力梯度。非球形的崩溃产生多个冲击，显然与不同的过程，如射流的影响和不同的气泡段的个人崩溃。对于在自由表面附近塌陷的气泡，作为各向异性参数$ζ$的函数，分别测量每个冲击的能量和时间，该参数代表开尔文脉冲的无量纲等效值。对于给定的气泡变形源（自由表面、刚性表面或重力），归一化激波能量仅取决于$ζ$，而与气泡半径$R_{0}$和驱动压力$Δp$无关。基于这一发现，我们开发了一个预测框架的峰值压力和能量的冲击波从非球形气泡崩溃。结合实验数据的统计分析和理论推导，我们发现冲击波峰值压力可以用射流冲击诱导的锤击压力来估算，表示为$p_{h} = 0.45\left(ρc^{2}Δp\right)^{1/2} ζ^{-1}$ at $ζ> 10^{-3}$。同样的方法被发现来解释作为$ζ^{-2/3}$的函数的冲击能量淬火。
2017-08-14 physics.flu-dyn
The history effect on bubble growth and dissolution. Part 2. Experiments and simulations of a spherical bubble attached to a horizontal flat plate
在过饱和或欠饱和溶液中的可溶性气泡的生长或溶解动力学的准确描述，需要考虑到一些物理效应，有助于瞬时传质速率。其中之一就是所谓的历史效应。它指的是气泡周围的局部浓度边界层的贡献，该边界层是由气泡和液体环境之间的过去的质量传递事件发展而来的。在本工作的第1部分\citep{penas2016}中，对球形孤立气泡的这种效应进行了理论处理。在这里，第二部分提供了一个实验和数值研究的历史效应有关的球形气泡附着在水平平板和重力的存在。本文中开发的模拟技术是基于流函数-涡量公式，可应用于其他流量的气泡或液滴交换质量中存在的重力场。使用这种数值工具，模拟中使用的实验中，其中的气泡暴露于随后的生长和溶解阶段，使用逐步变化的环境压力相同的条件下进行。除了证明历史效应的相关性，模拟突出的重要性，边界诱导平流准确地描述气泡的生长和收缩，即气泡半径的演变。此外，自然对流有显着的影响，显示在速度场，即使在很短的时间，虽然，在这里研究的过饱和条件下，气泡的演变预计主要是扩散。
2017-06-03 physics.flu-dyn
An assessment of multicomponent flow models and interface capturing schemes for spherical bubble dynamics
气泡动力学和空化的数值模拟是具有挑战性的，即使是一个看似简单的问题，一个崩溃的球形气泡是很难准确计算与一般的，三维的，可压缩的，多组分流动求解器。由于物理模型和数值方法的选择，其解决方案的困难。我们考虑Allaire等人的5方程模型。[1]，Kapila等人的5方程模型。[2]和Saurel等人的6方程模型。[3]作为球形气泡动力学的候选方法，并实现和比较了MUSCL和WENO界面捕获方法。我们证明了Allaire等人的传统5方程模型的不足。[1]对于球形气泡崩溃问题，并解释了Kapila等人的增强模型的相应优势。[2]对于表示这种现象。三维气泡溃灭问题的增广5方程和6方程模型之间的定量比较证明了压力不平衡模型的通用性。最后，压力不平衡模型的性能表示一个三维的球形气泡崩溃不同的气泡内/外压力比的不同数值方法进行了评估。与每个因素及其起源相关的病理被确定和讨论。
2019-03-19 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Delay differential equation models for single and coupled bubble dynamics in a compressible liquid
基于延迟微分方程，考虑了可压缩液体中相互作用的球形气泡的各种模型。结果表明，大多数以前提出的模型相互作用的球形气泡在可压缩液体的基础上的Keller-Miksis和Gilmore-Akulichev模型是不稳定的紧密间隔的气泡。本文提出了一个新的可压缩液体中单个球形气泡的模型，并利用该模型导出了一个稳定的相互作用气泡模型。定性比较的直接数值积分的流体运动方程的结果表明，新的模型提供了更准确的结果比标准的Keller-Miksis或Gilmore-Akulichev模型的单气泡动力学。
2013-10-10 physics.flu-dyn
Viscous lubrication force between spherical bubbles with time-dependent radii
本文通过润滑理论研究了时变半径球形气泡间的粘性润滑力，揭示其弱对数奇异性，并结合Stokes流理论验证了结果的可靠性，为气浮过程中气泡排水时间和膨胀速率提供了理论依据。
2024-02-27 physics.flu-dyn
Nonlinear asymptotic bubble growth in single-mode spherical Rayleigh-Taylor instability
University of Science and Technology of China（中国科学技术大学）
针对球形几何中单模态瑞利-泰勒不稳定性气泡的非线性增长，构建了适用于任意阿特伍德数及会聚、发散重力构型的解析模型，揭示了球形几何对气泡增长的不同影响，其预测与数值模拟吻合良好。
2026-08-03 physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Peculiarities of localization of several sonoluminescent bubbles in spherical resonators
在玻璃壁声球谐振器中，利用外加超声源在水中产生1、2、4和6个声致发光气泡。理论研究表明，考虑到外部和内部谐振器表面上的接触介质的速度和压力相等，可以以良好的精度描述所观察到的激励频率。在描述多气泡局域化的特征时，指出了考虑角动量算符非零自值振荡的必要性。为了解释在两个气泡声致发光的情况下气泡之间的奇怪的小距离，已经提出了以下可能的解释：a）具有奇异角动量的模式的空间分裂的机制和b）当一个气泡被捕获到由高频振动产生的声陷阱中时的二次激发的机制，当另一个气泡声致发光发生时同时产生。
2004-01-14 physics.flu-dyn
Two-stage dispersion mechanism of clean spherical bubbles rising in a chain
Shizuoka University（静冈大学）
研究揭示清洁球形气泡链上升过程中，初始不稳定由涡流作用主导，随后通过气泡与液体的双向耦合产生大尺度横向分散，表明存在双阶段机制。
2026-07-10 physics.flu-dyn
Evolution of spherical cavitation bubbles: parametric and closed-form solutions
本文分析了水中三维空泡的Rayleigh-Plesset方程。在最简单的情况下，当表面张力的影响被忽略，已知的参数解的半径和时间演化的气泡的超几何函数进行了简要回顾。通过引入表面张力，我们揭示了Rayleigh-Plesset方程与Abel方程之间的联系，得到了遵循Abel途径的参数有理Weierstrass周期解.在相同的阿贝尔方法中，我们还提供了一个讨论的不可积的情况下，非零粘度，我们进行了数值积分
2016-02-08 physics.flu-dyn
When bubbles are not spherical: artificial intelligence analysis of ultrasonic cavitation bubbles in solutions of varying concentrations
液体的超声波照射，如水-酒精溶液，导致空化或形成小气泡。在不使用光学陷阱的情况下，在真实的溶液中产生空化气泡，使我们的系统尽可能接近真实的条件。在超声波的作用下，气泡可以生长，振荡，最终崩溃或分解。我们应用运动分离的数学方法来解释声对气泡的影响。虽然在大多数情况下，气泡的球形形状在能量上是最有利的，因为它使表面能最小化，但是当声频与气泡的固有频率共振时，出现具有二面角对称性的形状。其中一些共振形状变得不稳定，因此气泡分解。结果表明，气泡在不同浓度（具有不同的表面能和密度）的溶液中具有不同的演化路径。虽然很难获得溶液浓度如何影响气泡动力学的确定性描述，但可以通过应用人工神经网络（ANN）算法来分离具有不同浓度的图像。训练人工神经网络，根据气泡图像检测水溶液中的酒精浓度。这表明，人工智能（AI）方法可以在非平衡、接近不稳定的情况下补充确定性分析。
2022-01-04 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Comment on: "Analytical approximations for the collapse of an empty spherical bubble"
我们分析了瑞利方程的空气泡的崩溃，并提供了一个解释最近的一些分析近似模型。我们导出了第二边界点处的奇异性形式，并讨论了逼近式的收敛性。我们还给出了一个严格的证明的渐近行为的幂级数的系数的近似表达式的基础。
2012-08-29 math-ph math.MP physics.flu-dyn
A Review of the Accuracy of Direct Numerical Simulation Tools for the Simulation of Non-Spherical Bubble Collapses
本文综述了非球形气泡坍缩直接数值模拟的精度问题，提出新理论分析推广峰值压力预测，并发现网格尺寸与最小半径之比可用于缩放不同初始条件下的数值误差。
2024-04-28 physics.flu-dyn
Energy partition at the collapse of spherical cavitation bubbles
球形空泡破裂产生冲击波，随后产生反弹气泡。在这里，我们提出了一个系统的调查之间的反弹和冲击的能量分配。在微重力下产生高度球形的空化气泡，这抑制了浮力压力梯度，否则浮力压力梯度会使气泡的球形度变差。我们测量了反弹气泡的半径，并估计了作为初始气泡半径（2-5.6 mm）和液体压力（10-80 kPa）的函数的冲击能量。这些测量揭示了回弹和冲击之间能量分配的系统压力依赖性。我们表明，这些观察结果同意依赖于一阶近似的液体压缩性和绝热处理的气泡内的不凝气体的物理模型。利用该模型，我们发现回弹和激波之间的能量分配由一个无量纲参数$ξ= Δpγ^6/[{p_{g0}}^{1/γ} (ρc^2)^{1-1/γ}]$决定，其中$Δp=p_\infty-p_v$是驱动压力，$p_{\infty}$是液体中的静压，$p_v$是蒸汽压，$p_{g0}$是最大气泡半径处的不凝气体压力，$γ$是不凝气体的绝热指数，$ρ$是液体密度，而$c$是液体中的声速。
2012-10-17 astro-ph.SR physics.flu-dyn
Asymmetric deformations of a perturbed spherical bubble in an incompressible fluid
本文研究不可压缩流体中受非对称小扰动的球形气泡演化，证明平衡气泡必为球形，并分析等压近似下线性化初值问题，揭示热阻尼下模型全局适定但非径向分量无阻尼振荡，而黏性耗散导致不适定，指出需引入涡量或气体压力非均匀性才能准确描述一般变形。
2024-08-07 math-ph math.AP math.MP
Comprehensive analysis of spherical bubble oscillations and shock wave emission in laser-induced cavitation
球形激光诱导空化气泡在水中的动力学研究等离子体摄影，时间分辨阴影，和单发探针光束散射，使描绘从初始的非线性到后期的线性振荡的过渡。后期振荡的频率产生气泡的气体含量。模拟与吉尔摩模型使用等离子体的大小作为输入和振荡时间作为拟合参数提供的见解实验上无法访问的气泡参数和冲击波发射。该模型是由一个长期覆盖的初始冲击驱动的气泡壁的加速，一个自动化的方法确定冲击波前的位置和压力衰减，和吸收的激光能量的汽化，气泡和冲击波能量的分区的能量平衡，并通过粘度和冷凝耗散。这些工具用于分析覆盖102个振荡周期的散射信号。气泡由平均温度为1550 K的等离子体产生，最大半径为36 $μ$ m。膨胀过程中气泡壁面速度的预测值与实验值吻合较好。在第一次崩溃时，大部分能量储存在气泡周围的压缩液体中，然后通过声学辐射出去。坍塌的气泡含有更多的蒸汽而不是气体，其压力为13.5 GPa。反弹冲击波的压力最初衰减$\propto r^{-1.8}$，和能量耗散在冲击波阵面加热气泡壁附近的液体以上的极限。冲击引起的温度升高降低了后期气泡振荡期间的阻尼。对于半径小于10 $μ$ m的小气泡，气泡动力学变化显著。
2021-09-09 physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Resonance behavior of a bubble near a spherical inclusion
Univ Lyon, Université Claude Bernard Lyon 1（里昂大学，克洛德·贝尔纳里昂大学）；Univ Lyon, INSA Lyon, CNRS, Ecole Centrale de Lyon（里昂大学，里昂国立应用科学学院，法国国家科学研究中心，里昂中央理工学院）
本文建立了一个解析模型，研究在粘性可压缩流体中，气体微泡在任意大小和力学性质（刚性、流体或粘弹性）的球形夹杂物附近振荡的频率响应，并展示了通过扫描气泡频率响应反演粘弹性物体（如类红细胞颗粒）力学特性的方法。
2026-06-02 physics.flu-dyn
The effect of bubble induced turbulent structures on the mass transfer of non-spherical bubbles
Eindhoven University of Technology（埃因霍温理工大学）
采用前追踪方法和亚网格尺度模型模拟了Eötvös数为2、Morton数为10^-11的摇摆气泡的传质过程，发现气泡产生的涡旋结构受物性影响并改变传质，同时涡旋结构形成输运屏障阻碍尾流与液体主体的对流传质。
2026-08-24 physics.flu-dyn
Analytical Approximations for the Collapse of an Empty Spherical Bubble
具有初始条件R（0）=Rmax，R '（0）=0的瑞利方程3/2 R'+ RR”+p/rho=0模拟了半径为R（T）的空球形气泡在具有远场压力p和密度rho的理想无限液体中的破裂。作为时间t=T/Tcollapse的函数的r=R/Rmax的解，其中R（Tcollapse）=0，与Rmax、p和rho无关。虽然没有已知的r（t）的封闭形式表达式，但我们发现s（t）=（1-t^2）^（2/5）近似r（t），误差小于1%。以t^2为阶的系统展开进一步得到0.001%近似的r*（t）=s（t）[1-a Li（2.21，t^2）]，其中a=-0.01832099是常数，Li是多重对数。这些近似值的实用性证明了在微重力下获得的高精度空化数据的比较。
2012-06-01 physics.flu-dyn
Predicting Complex Non-spherical Instability Shapes of Inertial Cavitation Bubbles in Viscoelastic Soft Matter
软物质中的惯性空化是生物和工程过程中的一种重要现象。实验，理论和数值技术的最新进展提供了进入一个充满非线性物理学的世界，但迄今为止，我们大多数的定量理解一直集中在一个球对称描述的空化过程。然而，空化气泡的生长和破裂很少以完全对称的方式发生，特别是在软材料中。预测动态产生的非球形不稳定性的发生仍然是一个重大的，未解决的挑战，部分原因是由于周围的非线性粘弹性固体引入的额外的本构复杂性。在这里，我们提供了一个新的理论模型，能够准确地预测发病的非球形不稳定形状的气泡在软材料中明确占所有相关的非线性相互作用之间的流体状空化气泡和固体状的环境。与高分辨率的实验图像在聚丙烯酰胺（PA）水凝胶激光诱导空化事件的比较显示出良好的一致性。有趣的是，并与实验结果一致，我们的模型预测出现各种动态不稳定形状的环向拉伸比大于一个相反，最准静态的调查。我们的新理论框架不仅提供了前所未有的洞察力在软固体中的空化动力学，但它也提供了一个定量的手段来解释气泡动力学相关的广泛的工程和医学应用以及自然现象。
2021-04-07 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Bubble Dynamics in a Two-Phase Medium
自Gilmore的早期工作以来，可压缩液体中气泡的球形动力学已经被广泛研究。数值代码研究的行为，包括当涉及大的非球形变形，已经开发出来，并已被证明是准确的。然而，当气泡周围的介质的可压缩性主要由气泡混合物的存在提供时，情况是不同的，并且常识不太先进。在DYNAFLOW公司目前正在进行的一项工作中，在包括非常细的气泡的水混合物中的初级相对大的气泡的动力学正在被实验研究，并且结果被提供给几个并行的正在进行的分析和数值方法。主/初级气泡是由放置在气泡介质中的两个同心电极的水下火花放电产生的，所述气泡介质是使用电解产生的。细垂直线的网格用于产生不同强度的气泡分布。主气泡的尺寸由放电电压、电容器尺寸和施加在容器中的压力控制。细气泡的尺寸和浓度可以通过电解电压、线的长度、直径和类型以及施加在容器中的压力来控制。这使得参数研究的因素控制的动力学的主要气泡和气泡的特征量之间的关系，如最大气泡半径和气泡周期和周围的两相介质的特性：微气泡的尺寸和空隙率的发展。
2010-10-26 physics.flu-dyn
Probabilistic Simulation of Gas-Liquid Interfaces with Coupled Flow Matching on Spherical Harmonics
Eindhoven University of Technology（埃因霍温理工大学）
针对气泡流高保真模拟计算成本高的问题，提出基于球谐耦合流匹配的神经代理模型，在BubbleSH数据集上验证其可快速且准确模拟气液界面相关特性。
2026-10-14 cs.LG physics.flu-dyn
Mathematical modelling for acoustic microstreaming produced by a gas bubble undergoing asymmetric oscillations
本文通过将一阶、二阶涡量场分解为极向与环向分量，并利用球谐函数描述界面非球形畸变，建立了非对称振荡气泡诱导声微流的精确理论解。
2025-03-13 physics.flu-dyn
Steady bubbles and drops in inviscid fluids
本文通过微扰方法结合隐函数定理与分岔分析，构造了带表面张力的两相 Euler 方程的稳态非球形行波解，证明了表面张力模型比单相 Euler 方程具有更丰富的解结构。
2025-03-07 math.AP physics.flu-dyn
Bubble-Jets in Gravitational Fields (APS DFD Video V060)
我们展示了在正常重力、微重力和超重力下，球形气泡在液体中坍塌形成的重力诱导射流的可视化。这些观察结果表明，重力可以有一个显着的影响空化气泡。重力诱导射流的分析揭示了气泡诱导射流的尺寸与无量纲参数grad（p）* R 0/p之间的标度律，其中R 0是最大气泡半径，p是驱动压力。该比例定律适用于在任何均匀压力梯度grad（p）中形成的任何射流。
2011-10-14 physics.flu-dyn
Cavitation Bubble Dynamics inside Liquid Drops in Microgravity
我们研究了微重力下产生的水滴内火花产生的空化气泡。高速可视化揭示了球形和几乎孤立的液体体积的独特效果。特别地，（1）环形塌陷的气泡产生从液滴逸出的两个液体射流，并且“飞溅射流”公开了显著的加宽。(2)由于激波的特殊约束，激波会引起强烈的二次空化。该特征提供了一种新的方法来估计孤立体积中的积分冲击波能量。(3)气泡的寿命在下降是短于在显着的协议与本文推导出的瑞利-Plesset方程的校正条款在扩展的体积。
2006-10-21 physics.flu-dyn
New insights into the cavitation erosion by bubble collapse at moderate stand-off distances
本文通过实验和OpenFOAM三维模拟，系统研究了中等距离下激光诱导空化气泡的非对称溃灭行为，识别出五种局部侵蚀模式，并揭示了周向非对称溃灭引发冲击波聚焦和严重空蚀的机制，为建立空蚀预测模型提供了依据。
2025-06-02 physics.flu-dyn
Long-Pulse Laser-Induced Cavitation: A Race Between Advection and Phase Transition
本研究构建结合可压缩多相流体动力学、激光辐射与相变的计算模型，揭示长脉冲激光诱导空化的气泡形状由平流与汽化的速度竞争决定，激光吸收系数越高、光束越窄越易形成拉长气泡。
2023-08-23 physics.flu-dyn
The Kirkwood-Bethe hypothesis for bubble dynamics, cavitation and underwater explosions
本文综述并推广 Kirkwood–Bethe 假说模型，验证其在低计算成本下预测气泡动力学、空化及水下爆炸相关声传播与冲击波的能力。
2024-05-04 physics.flu-dyn
The Gilmore-NASG model to predict single-bubble cavitation in compressible liquids
将Gilmore模型与Noble-Abel-stiffened-gas（NASG）状态方程相结合，得到一个基于真实气体热力学的预测球形气泡膨胀和坍缩的简单模型。NASG状态方程解决了与常用的Tait液体状态方程相关的温度不准确性，因此，可以提供空化期间气泡内容物和周围液体的可压缩和热效应的一致描述。在详细推导了所提出的Gilmore-NASG模型后，通过与气泡破裂相关的单气泡气穴现象以及与声致发光相关的频率和振幅区域的声激励驱动的结果，强调了经典Gilmore-Tait模型与所提出的模型之间的差异。高强度聚焦超声和冲击波碎石术。特别是对于快速和剧烈崩溃的气泡，可以观察到的气泡行为之间的建议Gilmore-NASG模型和经典的Gilmore-Tait模型的显着差异。Gilmore-NASG模型能够同时预测气体、蒸汽和液体中的可靠压力和温度值，这使得所提出的模型对于声化学和生物医学应用特别有吸引力。
2020-08-21 physics.comp-ph physics.flu-dyn
The lifetime of shape oscillations of a bubble in an unbounded, inviscid and compressible fluid with surface tension
Shapiro和Weinstein（2011）在线性近似下证明了具有表面张力的可压缩无粘流体中球形气泡的一般扰动随时间推移呈指数衰减$\sim e^{-Γt}, Γ>0$。形式上的渐近和数值证据导致了这样的猜想：$Γ\approx \frac{A}ε \frac{We}{ε^{2}} \exp(-B \frac{We}{ε^2})$，其中$0<ε\ll1$是马赫数，We是韦伯数，$A$和$B$是正常数。本文证明了这一猜想，并计算了$ε$中首阶的$A$和$B$.
2012-10-01 math-ph math.AP math.MP
