First iterative solution of the thermal behaviour of acoustic cavitation bubbles in the uniform pressure approximation

Can Fuat Delale (MEF Author)The thermal behaviour of a spherical gas bubble in a liquid driven by an acoustic pressure is investigated in the uniform pressure approximation by employing an iterative method to solve the energy balance equations between the gas bubble and the surrounding liquid for the temperature distribution and the gas pressure inside the bubble. It is shown that the first iterative solution leads to the first order law of the gas pressure as a polytropic power law of the bubble wall temperature and of the bubble radius, with the polytropic index given as an explicit function of the isentropic exponent of the gas. The resulting first order law of the gas pressure reduces to the classical isothermal and adiabatic laws in the appropriate limits. The first order gas pressure law is then applied to an acoustically driven cavitation bubble by solving the Rayleigh-Plesset equation. Results obtained show that the bubble wall temperature pulsations during collapse and rebound can become a few orders of magnitude higher than the bulk liquid temperature.WOS:0003685806000162-s2.0-84956852599Conference Proceedings Citation Index- ScienceProceedings PaperAralık2015YÖK - 2015-1

Akustik Kavitasyon İçin İndirgenmiş Gaz Basıncı Yasası

Konferans Bildirisi-- İstanbul Teknik Üniversitesi, Teorik ve Uygulamalı Mekanik Türk Milli Komitesi, 2017Conference Paper -- İstanbul Technical University, Theoretical and Applied Mechanical Turkish National Committee, 2017Bu araştırmanın amacı küresel bir kabarcık için indirgenmiş gaz basıncı yasası elde etmektedir. Bu maksatla akustik bir basınç sinyali tarafından uyarlanmış bir sıvı içindeki küresel bir gaz kabarcığının ısıl davranışı, kabarcık ile onu çevreleyen sıvı arasındaki enerji dengesi gözönüne alınarak elde edilen Prosperetti denkleminin yinelemeli bir yöntemle çözülmesiyle belirlenmektedir. Kabarcığın büyüme ve büzülmesi esnasında, yinelemeli çözümden Peclet sayısının bir fonksiyonu olan bir parametreye bağlı olarak elde edilen gaz basıncı yasasının, kabarcık duvar sıcaklığı ve kabarcık yarıçapının politropik bir fonksiyonu olduğu gösterilmektedir. Bu politropik yasanın, uygun limitlerde klasik eşsıcaklık ve adyabatik gaz basıncı yasalarına indirgendiği gösterilmektedir. Elde edilen gaz basıncı yasasındaki duvar sıcaklığı, sıvı tarafındaki ısı denkleminin ince sınır tabakası yaklaşımı varsayılarak Plesset-Zwick çözümünden elde edilmektedir. Önerilen indirgenmiş gaz basıncı yasası Rayleigh-Plesset küresel kabarcık dinamiği yasasıyla birlikte tipik bir akustik basınç dalgası sinyali için çözüldüğünde, kabarcık yarıçapı ve duvar sıcaklığı için elde edilen sonuçlar, Peclet sayısına bağlı olarak eşsıcaklık ve adyabatik gaz yasaları arasında değişim göstermektedir.This investigation aims to obtain a reduced order gas pressure law of a spherical bubble. For this reason the thermal behavior of a spherical gas bubble excited by an acoustic pressure signal is studied by employing an iterative solution of the Prosperetti equation obtained through the energy balance between the gas bubble and the surrounding liquid. This iterative solution leads to the desired reduced order gas pressure law exhibiting power law dependence on the bubble wall temperature and bubble radius, with power indices depending on the isentropic exponent of the gas and on a parameter which is a function of the Peclet number. Moreover, it is shown that this reduced order gas pressure law reduces to the classical isothermal and adiabatic laws in the appropriate limits of the parameter. The bubble wall temperature entering this reduced order gas pressure law is obtained from the Plesset-Zwick solution of the temperature distribution of the liquid side in the thin boundary layer approximation. Results obtained by solving the Rayleigh-Plesset equation using this reduced order gas pressure law for acoustically driven air/water vapor cavitation bubbles show that the time variations of the bubble radius and of the bubble wall temperature lie between those obtained by the isothermal and adiabatic laws depending on the value of the parameter characterizing the Peclet number

Temporal stability of steady-state quasi-one-dimensional bubbly cavitating nozzle flow solutions

Bu çalışmada, yakınsak-ıraksak bir lülede sanki-bir-boyutlu kavitasyonlu daimi kabarcıklı akış çözümlerinin, kabarcık/kabarcık etkileşmeleri de göz önünde bulundurularak zamana göre kararlılığı incelenmiştir. Bunun için homojen kabarcıklı sıvı akışı modeli kullanılarak sanki-bir-boyutlu daimi olmayan kavitasyonlu lüle akış denklemleri kabarcık dinamiği yasasıyla birlikte (iyileştirilmiş Rayleigh-Plesset denklemi) gözönünde bulundurulmuştur. Çekirdekleşme, kabarcık bölünme ve birleşmeleri ihmal edilmiştir. Tüm sönüm mekanizmaları, viskoz yutulma biçiminde tek bir sönüm katsayısıyla ele alınmış, kabarcıkların büyüme ve büzülmelerinde kabarcık içindeki gaz için politropik yasa kullanılmıştır. Başlangıç dağılımları, giriş koşulları ve lüle geometrisi, lülede kavitasyon oluşacak şekilde alınmıştır. Bu varsayımlar altında, model denklem sistemi, akış hızı ve kabarcık yarıçapı için iki evrim denklemine indirgenmiştir. Evrim denklemleri, daimi olmayan akışa göre pertürbe edilerek kabarcık yarıçapı ve akış hızı pertürbasyonları için kuple lineer kismi diferansiyel denklem sistemi elde edilmiştir. Bu kuple lineer denklem sistemi genelleştirilmiş özdeğer problemine dönüştürülmüş ve lülenin belli bölgeleri için özdeğerler hesaplanmıştır. Özdeğer problemindeki denklem sisteminin tüm katsayılarının hemen hemen sabit olduğu lüle giriş bölgesinde, normal mod analizi yöntemiyle problem kesin olarak çözülmüştür. Çeşitli akış parametrelerinin (kavitasyon sayısı, vs.) k pertürbasyon dalga sayısıyla değişimi için kararlılık diyagramları elde edilmiştir. Elde edilen sonuçlar, kavitasyonlu daimi lüle akışı çözümlerinin sadece çok küçük dalga sayıları için zamana göre kararlı olduğunu göstermiştir. Lüle giriş bölgesi için kararlılık diyagramlarındaki kararlı bölgelerin, türbülanslı cidar kayma gerilmesi etkisi gözönünde bulundurulduğunda genişlediği görülmüştür. Anahtar Kelimeler: Kavitasyonlu akışlar, daimi akış çözümleri, zamana bağlı kararlılık.Cavitating flows through converging-diverging nozzles seem to be the simplest configurations for analysis in hydrodynamic cavitation. They have direct applications in cavitation in ducts and venturi tubes as well as in Diesel injection nozzles. The first model of bubbly liquid flow through a converging-diverging nozzle was proposed by Tangren etal. (1949) using a barotropic relation. The problem was reconsidered by Ishii et al. (1993) by taking into account unsteady effects, but still neglecting bubble dynamics. A summary of barotropic models can be found in the book by Brennen (1995). For cavitating flows it is essential to consider bubble dynamics together with the equations of nozzle flow. A continuum bubbly mixture flow model that couples spherical bubble dynamics, as described by the classical Rayleigh-Plesset equation, to the flow equations was proposed by van Wijngaarden (1968). Steady-state solutions of bubbly cavitating flows through converging-diverging nozzles have been investigated by Wang and Brennen (1998) and by Delale etal. (2001) using the continuum bubbly liquid flow model. Assuming that the gas pressure inside the bubble obeys the polytropic law and lumping all damping mechanisms, in a crude manner, by a single damping coefficient in the form of viscous dissipation, both investigations have demonstrated bifurcation of steady-state solutions to flashing flow instabilities by varying the inlet void fraction (or inlet bubble radius or inlet cavitation number). A numerical investigation of unsteady bubbly cavitating flows in converging-diverging nozzles on the same model has been carried out by Preston etal. (2002). They show that the instabilities encountered in the steady-state solutions of quasi-one-dimensional bubbly nozzle flows may correspond to unsteady bubbly shock waves formed in the diverging section of the nozzle and propagated downstream. The aim of this investigation is to present a detailed analysis of quasi-one-dimensional unsteady bubbly cavitating flows in converging-diverging nozzles with the inclusion of bubble/bubble interactions as discussed in Delale etal. (2001). The description is, therefore, restricted solely to the investigation of the interplay between the overall compressibility of the continuum bubbly mixture and flow unsteadiness. Although the stability of both inviscid and viscous bubbly parallel flows have been investigated by d'Agostino etal. (1997) and d'Agostino and Burzagli (2000), it is important to investigate the temporal stability of cavitating nozzle flows in the quasi-one-dimensional approximation to find out  whether such steady-state solutions are stable with respect to temporal perturbations. In this study the stability of steady-state bubbly cavitating nozzle flows is considered. For this reason, quasi-one-dimensional unsteady bubbly cavitating nozzle flows are considered by employing a homogeneous bubbly liquid flow model together with the nonlinear dynamics of cavitating bubbles, described by a modified Rayleigh-Plesset equation. Nucleation, coagulation of bubbles and bubble fission are neglected. The various damping mechanisms are lumped together by a single damping coefficient in the form of viscous dissipation. A polytropic law for the expansion and compression of the gas inside the bubble is assumed. The initial distributions, inlet conditions and nozzle geometry are choosen such that cavitation can occur in the nozzle. Under these assumptions the complete system of equations, by appropriate uncoupling, are reduced to two evolution equations, one for the flow speed and the other for the bubble radius. The evolution equations for the bubble radius and flow speed are then perturbed with respect to flow unsteadiness resulting in a coupled system of linear partial differential equations for the radius and flow speed perturbations. This system of coupled linear PDE's is then cast into an eigenvalue problem. The eigenvalues for the resulting system are found by normal mode analysis in the inlet region of the nozzle where the coefficients of the system of the PDE's are almost constant. Stability diagrams are obtained by varying the various flow parameters (cavitation number, etc.) against the perturbation wave number k. Results found show that the steady-state bubbly cavitating nozzle flow solutions are temporally stable only for perturbations with very small wave numbers. The effect of damping mechanisms on the stability of the steady-state solutions seems to be negligible in the inlet region because of the very small growth rate of the bubbles. The stable regions of the stability diagram for the inlet region of the nozzle are seen to be broadened by the effect of turbulent wall shear stress.  Keywords: Bubbly cavitating flows, steady-state solutions, temporal stability

Computational and asymptotic methods in aeroacoustics with applications

In this article the computational and asymptotic methods used in aeroacoustics are reviewed. In particular, two different aeroacoustic applications are demonstrated.In the first problem we investigate the first and second order asymptotic predictions of the thickness and loading noise of a subsonic B-bladed helicopter rotor in the far field and compare the SPL noise results with those of full numerical computations. The results of the second order asymptotic formula seem to be in better agreement with full numerical computations than the first order asymptotic formula. In the second problem, the effect of acoustic wave propagation in transonic nozzle flow is investigated by solving the unsteady quasi-one-dimensional transonic nozzle equations in conservative form using high order computational aeroacoustic schemes, where a novel non-reflecting boundary condition is implemented in addition to the standard non-reflecting boundary condition using characteristics. Excellent agreement with the exact solution is obtained in each case.Publisher's Versio

Bubble dynamics and shock waves

This volume of the Shock Wave Science and Technology Reference Library is concerned with the interplay between bubble dynamics and shock waves. It is divided into four parts containing twelve chapters written by eminent scientists. Topics discussed include shock wave emission by laser generated bubbles (W Lauterborn, A Vogel), pulsating bubbles near boundaries (DM Leppinen, QX Wang, JR Blake), interaction of shock waves with bubble clouds (CD Ohl, SW Ohl), shock propagation in polydispersed bubbly liquids by model equations (K Ando, T Colonius, CE Brennen. T Yano, T Kanagawa, M Watanabe, S Fujikawa) and by DNS (G Tryggvason, S Dabiri), shocks in cavitating flows (NA Adams, SJ Schmidt, CF Delale, GH Schnerr, S Pasinlioglu) together with applications involving encapsulated bubble dynamics in imaging (AA Doinikov, A Novell, JM Escoffre, A Bouakaz), shock wave lithotripsy (P Zhong), sterilization of ships’ ballast water (A Abe, H Mimura) and bubbly flow model of volcano eruptions ((VK Kedrinskii, K Takayama). The book offers a timely reference for graduate students as well as professional scientists and engineers interested in the interaction of shock waves with bubbles and their propagation properties in bubbly liquids with applications in medical and earth sciences.Publisher's Versio

MEF Üniversitesi Mühendislik Fakültesi, Makine Mühendisliği bölüm başkanı Prof. Dr. Can Fuat Delale ile röportaj

“Amacımız Fark Yaratacak Makine Mühendisleri Yetiştirmek” Gelişen teknolojiye ayak uydurabilen, teknik bilgi ve becerilere sahip fark yaratacak lider makine mühendisleri yetiştirmek üzere yola çıktıklarını belirten MEF Üniversitesi Makine Mühendisliği Bölüm Başkanı Prof. Dr. Can Fuat Delale, eğitim ve öğretimde kullandıkları “Flipped Classroom” (ters yüz edilmiş sınıf) yöntemiyle öğrencilerin; önceden hazırlanmış kısa süreli videoları online izleyip, gerekli diğer gereçleri de kullanarak derslere hazırlıklı geldiğini, ders esnasında da üç ya da dört kişilik gruplar halinde öğretim üyesinin yardımıyla etkileşerek öğrenme ve uygulama süreçlerini daha sağlıklı gerçekleştirebildiklerinin altını çiziyor. Prof. Dr. Can Fuat Delale, bölümün yapısı, sunduğu eğitim olanakları ve sanayi kuruluşlarıyla birlikte yürütülen projelerle ilgili Moment Expo Dergisi’nin sorularını yanıtladı

Kabarcık dinamiği için gaz basıncı yasası

Can Fuat Delale (MEF Author)##nofulltext##..

Sanki-Bir-Boyutlu Kavitasyonlu Daimi Lüle Akışlarının Zamana Göre Kararlılığı

Konferans Bildirisi -- Teorik ve Uygulamalı Mekanik Türk Milli Komitesi, 2011Conference Paper -- Theoretical and Applied Mechanical Turkish National Committee, 2011Bu çalışmada, kabarcıklı sıvılarda sarıki-bir-boyutlu kavitasyonlu daimi lüle akışı çözümlerinin, kabarcık/kabarcık etkileşmeleri de gözönünde bulundurularak, zamana göre kararlılığı incelenmiştir. Bunun için homojen kabarcıklı sıvı akışı modeli kullanılarak, sankibir-boyutlu daimi olmayan kavitasyontu lüle akış denklemleri kabarcık dinamiği yasasıyla birleştirilerek (iyileştirilmiş Rayleigh-Plesset denklemi) model denklemler inşa edilmiştir. Başlangıç dağılımları, giriş koşulları ve lüle geometrisi, lülede kavitasyon oluşacak şekilde alınmıştır. Çeşitli varsayımlar altında önerilen model denklem sistemi, genelleştirilmiş özdeğer problemine dönüştürülmüş ve lülenin belli bölgeleri için özdeğerler hesaplanmıştır. Özdeğer problemindeki denklem sisteminin tüm katsayılarının hemen hemen sabit olduğu lüle giriş bölgesinde, normal mod analizi yöntemiyle problem kesin olarak çözülmüştür. Çeşitli akış parametrelerinin (kavitasyon sayısı, vs.) için kararlılık diyagramları elde edilmiştir. Elde edilen sonuçlar, kavitasyontu daimi lüle akışı çözümlerinin sadece çok küçük dalga sayıları için zamana göre kararlı olduğunu göstermiştir