Riassunto analitico
Il termine "cavitazione" è comunemente utilizzato per identificare la formazione di cavità di vapore in un liquido (cioè piccole zone senza liquido chiamate "bolle" o "vuoti") originate da forze che agiscono sul liquido stesso. Come noto, l'evoluzione di una bolla di cavitazione può essere termodinamicamente descritta combinando la legge di Clausius-Clapeyron, l’equazione di Kelvin e l’equazione di Rayleigh-Plesset. Le principali proprietà termo-fisiche dei fluidi, indispensabili per un'analisi dettagliata di cavitazione dei flussi, sono cinque: pressione di vapore, entalpia di vaporizzazione, tensione superficiale, viscosità e densità. In particolare, la temperatura di lavoro del fluido operatore determina un'influenza fondamentale su tutte queste proprietà. Più in dettaglio, lo stato termodinamico della fase vapore conseguente ad un transitorio di cavitazione è stato modellato applicando la correlazione dimostrata tra l’equazione di Kelvin e la legge di Clausius-Clapeyron. La validazione di questa teoria è stata effettuata confrontando i risultati numerici e i dati sperimentali relativi all'acqua disponibili in letteratura. Inoltre, due differenti tipi di cavitazione possono essere generalmente identificati: inerziale (o transitoria) e non inerziale. La cavitazione inerziale è il processo in cui un vuoto, o una bolla, in un liquido collassa rapidamente, producendo un'onda d'urto. Il modello di Rayleigh-Plesset è stato applicato per descrivere la partizione di energia della bolla in termini di energia di rimbalzo ed energia acustica durante il collasso in ambiente di microgravità. In questo caso, un ottimo accordo è stato ottenuto nel confronto tra i risultati numerici ed i dati sperimentali ESA presenti in letteratura. Per le bolle di cavitazione generate attraverso la tecnica del laser pulsato, soprattutto per le pressioni inferiori del liquido, le bolle presentano una doppia parete dovuta alla formazione del plasma che anticipa la nascita della bolla. E’ importante notare che il raggio massimo della bolla primaria corrisponde alla perturbazione acustica massima generata dal plasma nel liquido circostante. La cavitazione non inerziale è il processo in cui una bolla in un fluido è costretta ad oscillare in dimensione a causa di qualche forma di apporto di energia, come ad esempio un campo acustico. Anche per questa condizione, predizioni numeriche sono state effettuate al fine di valutare l'influenza della frequenza di oscillazione e dell’ampiezza del raggio della bolla sulla pressione percepita (o misurata) e sulle proprietà termodinamiche (in particola modo in termini di pressione e temperatura) del contenuto di vapore all'interno della bolla.
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Abstract
The term “cavitation” is commonly used to identify the formation of vapor cavities in a liquid (i.e. small liquid-free zones called "bubbles" or "voids") originated by forces acting upon the liquid itself. As well known, the evolution of a cavitating bubble may be thermodynamically described combining Clausius-Clapeyron, Kelvin and Rayleigh-Plesset relationships. The main thermo-physical fluid properties, essential for a detailed analysis of cavitating flows, are five: vapor pressure, enthalpy of vaporization, surface tension, viscosity and density. In particular, the working temperature of the operating fluid determines a fundamental influence on all these properties. More in detail, in this work, the thermodynamic status of the vapor phase originated during a cavitation transient has been modeled by applying the demonstrated correlation between Kelvin and Clausius-Clapeyron equations. The validation of this theory has been carried out by comparing numerical results and experimental data, related to water, available in literature. Moreover, two different types of cavitation can be usually identified: inertial (so called transient) and non-inertial. Inertial cavitation is the process where a void or a bubble in a liquid rapidly collapses, producing a shock wave. The Rayleigh-Plesset model has been applied in order to describe the energy partition of the bubble during the collapse in microgravity environment, in terms of rebound energy and acoustic energy. In this case, a very good agreement has been obtained from the comparison between numerical results and ESA experimental data found in literature. For cavitation bubbles generated by the laser pulsed technique, especially for the lower liquid pressures, bubbles present a double wall due to plasma formation that anticipates bubble inception. It is important to note that the maximum radius of the primary bubble corresponds to the maximum acoustic perturbation generated by the plasma into the surrounding liquid. Otherwise, non-inertial cavitation is the process in which a bubble within a fluid is forced to oscillate in size or shape due to some form of energy input, such as an acoustic field. Also for this condition, numerical predictions have been done in order to estimate the influence of the oscillation frequency and amplitude of the bubble radius exerted on the driving pressure and on the thermodynamic properties (mainly in terms of pressure and temperature) of the vapor content inside the bubble.
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