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Energy partition at the collapse of spherical cavitation bubbles

Résumé

Spherically collapsing cavitation bubbles produce a shock wave followed by a rebound bubble. Here we present a systematic investigation of the energy partition between the rebound and the shock. Highly spherical cavitation bubbles are produced in microgravity, which suppresses the buoyant pressure gradient that otherwise deteriorates the sphericity of the bubbles. We measure the radius of the rebound bubble and estimate the shock energy as a function of the initial bubble radius (2–5.6 mm) and the liquid pressure (10–80 kPa). Those measurements uncover a systematic pressure dependence of the energy partition between rebound and shock. We demonstrate that these observations agree with a physical model relying on a first-order approximation of the liquid compressibility and an adiabatic treatment of the noncondensable gas inside the bubble. Using this model we find that the energy partition between rebound and shock is dictated by a single nondimensional parameter ξ=Δpγ^6/[pg0^(1/γ)(ρc^2)^(1−1/γ)], where Δp=p∞−pv is the driving pressure, p∞ is the static pressure in the liquid, pv is the vapor pressure, pg0 is the pressure of the noncondensable gas at the maximal bubble radius, γ is the adiabatic index of the noncondensable gas, ρ is the liquid density, and c is the speed of sound in the liquid.

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Concepts associés (31)
Liquide
vignette|L'eau est une substance abondante sur la surface terrestre, se manifestant notamment sous forme de liquide. vignette|Diagramme montrant comment sont configurés les molécules et les atomes pour les différents états de la matière.
Pression de vapeur
La pression de vapeur est la pression partielle de la vapeur d'un corps présent également sous forme liquide ou solide. Lorsque le système est à l'équilibre (les proportions relatives de gaz et liquide ou solide ne varient pas), la pression de vapeur est dite « saturante ». Lorsque le système est hors équilibre : si la pression de vapeur est inférieure à la pression de vapeur saturante, une portion de liquide ou de solide passe sous forme gazeuse (évaporation, vaporisation ou sublimation) ; si la pression de vapeur est supérieure à la pression de vapeur saturante, une portion de la vapeur passe sous forme liquide ou solide (liquéfaction, condensation).
Pression statique
La pression statique, dans un fluide en mouvement, est la pression que mesure un capteur qui se déplace à la même vitesse que le fluide. Il s'agit de la pression thermodynamique, c.-à-d. la mesure du déplacement purement aléatoire des molécules du fluide. C'est de cette pression statique que découle les propriétés de densité du fluide pour une température donnée, et vice versa (voir loi des gaz parfaits). La pression statique ne doit pas être confondue avec la pression dynamique exercée sur un objet par un fluide en mouvement et qui est due au mouvement de ce fluide autour de cet objet.
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