Abstract The nonlinear dynamics of a spherical bubble in the confined externally driven liquid cell is considered. It is shown that volume confinement strongly affects the manifestation of the classical cavitation Blake threshold. At relatively large liquid cell exposed to a tension exceeding cavitation Blake threshold, the cavitation bubble abruptly expands to a finite radius in contrast with explosive infinite bubble growth in bulk liquid. For smaller liquid cells, the corresponding finite radius of a cavitation bubble is getting smaller accordingly. At liquid cell size smaller than some critical one, the cavitation is completely suppressed by volumetric confinement. The generalized Rayleigh–Plesset equation for the confined bubble, accounting for mass of gas in the bubble, liquid compressibility, surface tension, and damping due to liquid viscosity in the cell is derived in which the liquid cell size is used as a driving parameter. Three possible regimes of bubble dynamics in confined liquid at different types of driving is studied. First, a simple nonlinear growth initiated by relatively weak liquid cell expansion when the cavitation Blake threshold is not reached yet. Second, an abrupt cavitation expansion with oscillatory transient when cavitation Blake threshold is reached. Third, multiple cavitation inception followed by cavitation vanishing at the periodic liquid cell expansion and contraction. In this case it is also found that for high driving frequency bubble dynamics in the confined liquid resembles the bubble dynamics in an unbounded liquid.

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刚性微约束中单个空化气泡的动力学理论

摘要 考虑了受约束的外部驱动液室中球形气泡的非线性动力学。结果表明，体积限制强烈影响经典空化布莱克阈值的表现。在暴露于超过空化布莱克阈值的张力的相对较大的液体单元中，空化气泡突然膨胀到有限半径，与散装液体中爆炸性无限气泡增长形成对比。对于较小的液体细胞，相应的空化气泡的有限半径相应地变小。在液体单元尺寸小于某个临界尺寸时，空化完全被体积限制所抑制。受限气泡的广义 Rayleigh-Plesset 方程，考虑了气泡中的气体质量、液体可压缩性、表面张力、并且导出由于单元中液体粘度引起的阻尼，其中液体单元尺寸用作驱动参数。研究了不同类型驱动下受限液体中气泡动力学的三种可能机制。首先，当尚未达到空化 Blake 阈值时，由相对较弱的液体细胞膨胀引发的简单非线性生长。其次，当达到空化布莱克阈值时，具有振荡瞬态的突然空化膨胀。第三，多次空化开始，随后空化在周期性液体细胞膨胀和收缩时消失。在这种情况下，还发现对于高驱动频率，受限液体中的气泡动力学类似于无界液体中的气泡动力学。研究了不同类型驱动下受限液体中气泡动力学的三种可能机制。首先，当尚未达到空化 Blake 阈值时，由相对较弱的液体细胞膨胀引发的简单非线性生长。其次，当达到空化布莱克阈值时，具有振荡瞬态的突然空化膨胀。第三，多次空化开始，随后空化在周期性液体细胞膨胀和收缩时消失。在这种情况下，还发现对于高驱动频率，受限液体中的气泡动力学类似于无界液体中的气泡动力学。研究了不同类型驱动下受限液体中气泡动力学的三种可能机制。首先，当尚未达到空化 Blake 阈值时，由相对较弱的液体细胞膨胀引发的简单非线性生长。其次，当达到空化布莱克阈值时，具有振荡瞬态的突然空化膨胀。第三，多次空化开始，随后空化在周期性液体细胞膨胀和收缩时消失。在这种情况下，还发现对于高驱动频率，受限液体中的气泡动力学类似于无界液体中的气泡动力学。其次，当达到空化布莱克阈值时，具有振荡瞬态的突然空化膨胀。第三，多次空化开始，随后空化在周期性液体细胞膨胀和收缩时消失。在这种情况下，还发现对于高驱动频率，受限液体中的气泡动力学类似于无界液体中的气泡动力学。其次，当达到空化布莱克阈值时，具有振荡瞬态的突然空化膨胀。第三，多次空化开始，随后空化在周期性液体细胞膨胀和收缩时消失。在这种情况下，还发现对于高驱动频率，受限液体中的气泡动力学类似于无界液体中的气泡动力学。