고체 평면상에서 두 캐비테이션 버블의 상호 붕괴 충격력에 관한 실험적 연구

Abstract

본 논문은 정지된 유체 내의 고체평면 근방에서 크기가 다른 두 개의 캐비테이션 버블을 발생시켜 이 버블들이 동시에 붕괴할 때, 벽면 최대 충격력 및 충격량을 실험적으로 파악하였다. 무한 원방에서의 버블 붕괴와는 달리 벽면 가까이에서 발생하는 두 개의 버블은 버블-버블과의 상호작용뿐만 아니고, 버블-벽면과의 상호작용도 함께 일어나기 때문에 보다 복잡한 현상을 지닌다. 전기 스파크 발생장치를 통해 세 종류의 버블(반경 3.1 mm, 3.8 mm, 4.5 mm)을 조합하여, 발생에서 붕괴까지의 전 과정에서 나타나는 충격력과 이에 해당하는 버블의 형태를 정량적으로 비교하였다. 버블-버블 간의 거리(η), 벽면과의 거리(γ)에 따라 생성된 버블의 형태를 다섯 가지로 구분 할 수 있었다. 대표적으로, 아래 버블이 큰 경우는 종의 형태로, 작은 경우는 핀치오프 형태로 나타남을 고속카메라를 통해 확인할 수 있다. 두 버블의 크기와 거리에 따라 붕괴 시 발생되는 충격력을 PVDF센서를 통해 계측하였다. 고체면에 세로로 정렬된 두 버블의 충격력은 단일버블과 비교하여 두 배이상의 충격력이 발생하고, 발생 시기도 늦어진다는 점을 확인하였다. 또한 충격량의 관점에서 보면 벽면가까이에 위치한 버블의 크기가 큰 것이 보다 큰 충격량을 발생한다는 결과를 얻었다.

It is to experimentally investigate the maximum impact force on the wall when two cavitation bubbles of different sizes are generated near the solid surface in a still fluid. Unlike bubble collapse in free filed, two bubbles generated near the wall have a rather complicated phenomenon because not only the interaction with the bubble-bubble but also the interaction with the bubble-wall surface occurs. Through the electric spark generator, three types of bubbles (radius 3.1 mm, 3.8 mm, and 4.5 mm) were used to compare with the impact force that appeared in the entire process from generation to collapse and the shape of the corresponding bubble. Using two non-dimensional distance between the bubble and the bubble (η) and the distance from the wall (γ), the shape of the generated bubble was classified into five categories. It can be confirmed through the high-speed camera that the lower bubble appears in the form of a bell when the bubble is large, and in the form of a pinch-off when it is small. The impact force was measured through a PVDF sensor. It was confirmed that the impact force of the two bubbles vertically aligned on the solid surface generated more than double the impact force compared to the single bubble, and the generation time was also delayed. In the case of impulse, it was obtained that the larger the size of the bubble located near the wall, the greater the impulse amount.