Simulation Study of Single⁃Bubble Ultrasonic Cavitation Dynamics

doi:10.12422/j.issn.1672-6952.2025.02.010

Abstract

Abstract:

The kinetic properties of single?bubble ultrasonic cavitation are simulated using the finite element analysis software COMSOL Multiphysics. The motion process of a single cavitation bubble driven by ultrasonic sinusoidal, square and triangular waves when vibrating in water is simulated by solving the Rayleigh?Plesset model which takes into account the energy viscous loss and the radiation damping caused by the vibration of the spherical bubble, and the curves of the changes of bubble radius, motion velocity and kinetic energy of the bubble wall and pressure within the bubble wall are analyzed.The results show that under the same conditions, the stability of sine wave drive is the strongest; square wave drive has the best cavitation effect but the longest cavitation time; triangular wave shows the weakest cavitation effect. Driven by three types of waves, the kinetic energy of motion of the bubble wall is the largest during the first collapse, and the maximum pressure inside the bubble occurs when the bubble collapses to its minimum radius. The maximum pressure inside the bubble is the greatest when driven by sinusoidal wave compared to square wave and triangular wave.

Key words: Ultrasonic cavitation, Single bubble, Finite element simulation, Sine wave, Square wave, Triangular wave

摘要：

利用有限元分析软件COMSOL Multiphysics，模拟了单泡超声空化的动力学特性；通过求解考虑能量黏滞损耗和球形气泡振动引起的辐射阻尼的Rayleigh?Plesset模型，对超声正弦波、方波和三角波驱动下单一空化气泡在水中振动时的运动过程进行了仿真，分析了气泡半径、气泡壁的运动速度、气泡壁的动能和气泡内压力的变化。结果表明，在相同条件下，正弦波驱动稳定性最优；方波驱动具有最好的空化效果，但发生空化的时间最长；三角波的空化效果最弱；在三种波的驱动下，第1次塌缩时气泡壁的运动动能最大，在气泡塌缩到半径最小时气泡内压力最大；相较于方波和三角波驱动，正弦波驱动下气泡内的最大压力最大。

关键词: 超声空化, 单泡, 有限元仿真, 正弦波, 方波, 三角波

CLC Number:

O426

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Figures/Tables 5

Fig.1 Model setup and grid division

Table1 Ultrasonic cavitation basic parameters

参数	数值	描述
R₀/m	6×10^-6	气泡的平衡初始半径
f/Hz	30 000	声场激励频率
p_a/Pa	1.25×10⁵	超声的声压幅值
$μ$ /（Pa·s）	0.001	水的黏滞系数
p₀/Pa	1.013×10⁵	静水压力
c/（m·s^－1）	1 481	水中的声速
γ	1.4	理想双原子分子气体比热比
σ/（N·m^－1）	0.076	水的表面张力
$ρ$ /（kg·m^－³）	1 000	水的密度

Table1 Ultrasonic cavitation basic parameters

参数	数值	描述
R₀/m	6×10^-6	气泡的平衡初始半径
f/Hz	30 000	声场激励频率
p_a/Pa	1.25×10⁵	超声的声压幅值
$μ$ /（Pa·s）	0.001	水的黏滞系数
p₀/Pa	1.013×10⁵	静水压力
c/（m·s^－1）	1 481	水中的声速
γ	1.4	理想双原子分子气体比热比
σ/（N·m^－1）	0.076	水的表面张力
$ρ$ /（kg·m^－³）	1 000	水的密度

Fig.2 Variation curves of different parameters driven by sinusoidal wave

Fig.3 Variation curves of different parameters driven by square wave

Fig.4 Variation curves of different parameters driven by the triangular wave

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