Akustisch getriebene Wolkenkavitation beschichteter Mikroblasen

• Antragsteller: Professor Dr. Fabian Denner
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Verfahrenstechnik ; Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 441063377

• Erstellungsjahr: 2023

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Im Mittelpunkt dieses Projekts stand die Modellierung der akustischen Emissionen von Kavitationsblasen mit dem Ziel, Druck, Geschwindigkeit und Temperatur in der Umgebung von Kavitationsblasen genau und effizient vorherzusagen. Durch die Kombination eines neu entwickelten Einzelblasenmodells in kompressiblen Flüssigkeiten mit einer neuartigen Lagrangeschen Wellenverfolgungsmethode ist es nun möglich, sowohl die akustischen Emissionen als auch das induzierte Strömungsfeld und die Temperaturverteilung genau und schnell zu untersuchen. Mit diesem neuen Simulationswerkzeug konnten wir neue Erkenntnisse über die Druck-, Geschwindigkeits- und Temperaturverteilung in der Umgebung von akustisch angetriebenen lipidbeschichteten Mikroblasen und anderen Kavitationsblasen gewinnen. Dies ging einher mit vollständig aufgelösten Simulationen des asymmetrischen Kollapses von Kavitationsblasen und mit Fortschritten bei der Modellierung diskreter Blasen in Euler-Lagrange-Methoden. Das verbesserte Verständnis der akustischen Emissionen von Kavitationsblasen in Verbindung mit numerischen Methoden stellt eine entscheidende Ressource für die künftige Entwicklung medizinischer Behandlungen dar, die sich die lokalisierte und einstellbare Energiefokussierung von Mikroblasen zunutze machen, sowie für neu entstehende Behandlungen, die Nanoblasen und -tröpfchen verwenden. Die Neugier, die durch die bei der Kavitation beobachteten stark nichtlinearen akustischen Emissionen geweckt wurde, hat uns dazu veranlasst, nichtlineare akustische Wellen, die von sich bewegenden Wänden ausgehen, genauer zu untersuchen. Mit unserer zu diesem Zweck neu entwickelten Finite-Differenzen-Methode ist es nun möglich, die Modulation von akustischen Wellen zu untersuchen, die von sich bewegenden Wänden und in ungleichförmigen Strömungen ausgesendet werden. Das im Rahmen dieser Arbeit entwickelte Analogon des akustischen Schwarzen Lochs weist auf einen bisher unbekannten Modulationsmechanismus akustischer Wellen in einer beschleunigten Strömung hin, der die Tür zu neuen technischen Anwendungen öffnet, z.B. in der Fernerkundung und akustischen Tarnung.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Modelling Lipid-Coated Microbubbles in Focused Ultrasound Applications at Subresonance Frequencies. Ultrasound in Medicine & Biology, 47(10), 2958-2979.
  Gümmer, Jonas; Schenke, Sören & Denner, Fabian
  
• Multiscale modeling and validation of the flow around Taylor bubbles surrounded with small dispersed bubbles using a coupled VOF-DBM approach. International Journal of Multiphase Flow, 141, 103673.
  Cerqueira, Rafael F.L.; Paladino, Emilio E.; Evrard, Fabien; Denner, Fabian & Wachem, Berend van
  
• Propagation and modulation of nonlinear spherical waves emitted from oscillating bubbles, 74th Annual DFD Meeting of the American Physical Society, 21-23 November 2021, Phoenix, AZ, USA.
  S. Schenke, F. Sewerin, B. van Wachem & F. Denner
  
• The acoustic pressure generated by the cavitation bubble expansion and collapse near a rigid wall. Physics of Fluids, 33(3).
  Gonzalez-Avila, Silvestre Roberto; Denner, Fabian & Ohl, Claus-Dieter
  
• The Gilmore-NASG model to predict single-bubble cavitation in compressible liquids. Ultrasonics Sonochemistry, 70, 105307.
  Denner, Fabian
  
• Acoustic black hole analogy to analyze nonlinear acoustic wave dynamics in accelerating flow fields. Physics of Fluids, 34(9).
  Schenke, S.; Sewerin, F.; van Wachem, B. & Denner, F.
  
• Explicit predictor–corrector method for nonlinear acoustic waves excited by a moving wave emitting boundary. Journal of Sound and Vibration, 527, 116814.
  Schenke, Sören; Sewerin, Fabian; van Wachem, Berend & Denner, Fabian
  
• Numerical prediction of acoustic wave dynamics in moving fluids and acoustic black holes, 92nd Annual Meeting of the International Association of Applied Mathematics and Mechanics (GAMM), 15-19 August 2022, Aachen, Germany.
  S. Schenke, F. Sewerin, B. van Wachem & F. Denner
  
• Predicting acoustic emissions of ultrasound-driven lipid-coated microbubbles, 182nd Meeting of the Acoustical Society of America, 23-27 May 2022, Denver, CO, USA.
  S. Schenke, R. Saha & F. Denner
  
• Modeling acoustic emissions and shock formation of cavitation bubbles. Physics of Fluids, 35(1).
  Denner, Fabian & Schenke, Sören