Coalescence of soap bubbles and gas bubbles with aqueous and non-Newtonian fluids

• Applicant: Dr. Patricia Pfeiffer
• Subject Area: Statistical Physics, Nonlinear Dynamics, Complex Systems, Soft and Fluid Matter, Biological Physics ; Experimental Condensed Matter Physics ; Fluid Mechanics
• Term: from 2021 to 2024
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 467758392

• Final Report Year: 2025

Final Report Abstract

Zusammenfassend wurde in dem Projekt die Seifenblasenkoaleszenz sowie die Blasenkoaleszenz in wässrigen und nicht-newtonschen Flüssigkeiten untersucht. Aufgrund der Parametervielfalt (Blasengröße, Kollisionsgeschwindigkeit, Kollisionswinkel) konnte hier kein Belastbarer Zusammenhang zwischen den einzelnen Größen in Zusammenhang mit der Blasenkoaleszenz gefunden werden. Außerdem ist das System extrem sensitiv was Verunreinigungen betrifft. Diese verändern die Mobilität der Blasengrenzfläche und führen zu einer veränderten Zeit zwischen der Berührungszeit zweier Blasen und deren Koaleszenz. Um die Kollisionsgeschwindigkeit maßgeblich zu ändern wurde ein neuer experimenteller Ansatz ausprobiert: das Erzeugen von Blasen mittels eines fokussierten, gepulsten Lasers in eine dünne Flüssigkeitsschicht. Aufgrund der hohen Drücke, die bei diesen Experimenten erzeugt werden, erwiesen sie sich für Koalesenzexperimente als ungeeignet. Aus den Experimenten ergaben sich jedoch andere interessante Phänomene, die es zu studieren galt: Die Untersuchung der Bildung der sekundären Kavitationsblasen und deren ringförmige Anordnung um die laserinduzierte Blase, die Grenzflächeninstabilität der laserinduzierten Blase und die Untersuchung von neuartigen Kavitationskeimen. Die bisher gängige Theorie zum Auftreten von Kavitationskeimen, beschränkte sich auf das Vorhandensein von hydrophoben winzigen Rissen oder Löchern an Oberflächen oder Verunreinigungen. Die winzigen gasgefüllten Blasen formen bei einer entsprechenden Druckreduktion sichtbare Kavitationsblasen. In den Arbeiten hier, konnte gezeigt werden, dass auch flüssige Verunreinigungen, wie Perfluorocarbone und Silikonöle, sowie eine lokale Gasübersättigung die Kavitationsschwelle senken. Die Mechanismen hierzu konnten aufgeklärt werden. Zur Untersuchung der Instabilität des Blasenrandes, wurde zunächst angenommen, dass es sich um eine Saffmann-Taylor Instabilität handelt. Obwohl die Anzahl der Finger des Blasenrades um etwa Faktor zwei von der abweicht, wie sie bei einer Saffmann-Taylor Instabilität zu erwarten gewesen wäre, wobei hier etliche Annahmen in die Berechnung eingeflossen sind, konnte nicht bestätigt werden, dass hier eine Saffmann-Taylor Instabilität vorliegt. Die Dicke der zurückbleibenden Filme zwischen Glas und Blase stimmt nicht mit der Lubrikationstheorie überein. Hier wird nun versucht die Instabilität mithilfe von 3D Simulationen zu reproduzieren um die Physik der Instabilität aufzudecken. In Summe sind bisher 3 Publikationen im Rahmen des Projektes entstanden und zwei weitere werden zur Publikation vorbereitet.

Publications

• Heterogeneous cavitation from atomically smooth liquid–liquid interfaces. Nature Physics, 18(12), 1431-1435.
  Pfeiffer, Patricia; Shahrooz, Meysam; Tortora, Marco; Casciola, Carlo Massimo; Holman, Ryan; Salomir, Rares; Meloni, Simone & Ohl, Claus-Dieter
  
• Thermally Assisted Heterogeneous Cavitation through Gas Supersaturation. Physical Review Letters, 128(19).
  Pfeiffer, Patricia; Eisener, Julian; Reese, Hendrik; Li, Mingbo; Ma, Xiaotong; Sun, Chao & Ohl, Claus-Dieter
  
• Rayleigh wave induced cavitation bubble structures. International Journal of Multiphase Flow, 184, 105114.
  Reese, Hendrik; Gutiérrez-Hernández, Ulisses J.; Pfeiffer, Patricia; Quinto-Su, Pedro A. & Ohl, Claus-Dieter