Mô phỏng sự phá vỡ bong bóng gần tường dao dộng

Nghiên cứu sinh Nguyễn Quang Thái ở Viện Cơ học (Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam) và trường Kỹ thuật cơ học (ĐH Pusan, Hàn Quốc) và cộng sự mới tìm ra tương tác của các bong bóng với những bức tường dao động gần nó.

Kết quả được các nhà nghiên cứu nêu trong công bố “Numerical study of dynamics of cavitation bubble collapse near oscillating walls” (Nghiên cứu mô phỏng số về động lực xâm thực của sự phá vỡ bong bóng gần tường dao động), xuất bản trên tạp chí Physics of Fluids.

Từ lâu, động lực học bong bóng đóng một vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực như cơ học, hóa học, dược học và sinh học. Tuy nhiên, để hướng đến các ứng dụng trong đời sống thực, cần phải hiểu về các tương tác của chúng với tường xung quanh vật chứa, ví dụ như xói mòn xâm thực, nổ dưới nước, làm sạch siêu âm, sóng sốc tán sỏi (cho điều trị sỏi thận), phun phản lực…

Do đó, các nhà nghiên cứu đã khám phá hành xử của bong bóng cả về lý thuyết lẫn thực nghiệm. Song từ trước đến nay, mới có nhiều nghiên cứu mới chỉ tập trung vào tường cố định, chắc chắn nên những phát hiện của họ không phù hợp để hiểu về các hiện tượng liên quan đến mối tương tác với tường dao động, ví dụ như xói mòn, xâm thực, kiểm soát dòng chảy vi lưu. Một phần nguyên nhân của hiện trạng này là hành xử giữa bong bóng và tường dao động hết sức phức tạp.

Đây là lý do nhóm nghiên cứu do giáo sư Warn-Gyu Park ở ĐH Pusan dẫn dắt, trong đó có một số thành viên Việt Nam là Nguyễn Quang Thái, Nguyễn Văn Tú, Phan Thanh Hoàng, Nguyễn Duy Trọng, đã tập trung vào giải quyết vấn đề này: tìm hiểu sự phá vỡ của một bong bóng hình cầu trong một đơn vị thời gian, T_r, gần một bức tường cứng dao động với một biên độ lớn hơn (lớn hơn một phần trăm bán kính bong bóng) qua một mô phỏng số.

“Sự phá vỡ bong bóng được mô phỏng bằng việc sử dụng một mô hình dòng chảy hai pha có thể nén được (pha nước và pha hơi) và kỹ thuật thể tích chất lỏng phân pha – mài sắc. Hơn nữa, chúng tôi sử dụng một khung lưới chuyển động và một hàm sin để tái hiện các dao động của tường”, nghiên cứu sinh Nguyễn Quang Thái, tác giả đầu của công bố, giải thích trên Phys.org. “Sau đó chúng tôi đã kiểm tra lại các dự đoán của mô hình đưa ra bằng dữ liệu thực nghiệm về bong bóng và động lực học của nó ở gần các tường cố định, sau đó là với các tường dao động”.

Trong mô hình hai pha, Nguyễn Quang Thái và các nhà nghiên cứu khác đã mô phỏng các tường ban đầu chuyển động hướng về bong bóng (đồng pha) hoặc xa khỏi bong bóng (khác pha). Nếu đồng pha, chuyển động của tương nén bề mặt bong bóng dẫn đến một nội áp suất cao thì ở pha ngoại pha, chiều hướng diễn ra ngược lại. Trong cả hai trường hợp, thời gian phá vỡ bong bóng cũng khác nhau – 0,0 T_r với trường hợp thứ nhất và 1,0 T_r với trường hợp thứ hai.

Thêm vào đó, các nhà nghiên cứu đã xác định được ảnh hưởng của dao động tường biên độ với bán kính bong bóng và tỷ lệ thời gian chu kỳ dao động tường theo chu kỳ với T_r lên hành xử của bong bóng, cụ thể là kích thước, thời gian phá vỡ và di chuyển của nó, cũng như tác động sốc của tường, cụ thể là tốc độ dòng chảy và áp lực tác động. Mô phỏng cho thấy nhiều đặc điểm, bao gồm điểm tới hạn đối với kịch bản đồng pha đối với bán kính dao động từ biên độ đến bong bóng là 0,5.

Các kết quả này không chỉ thú vị mà chúng còn gợi ý cho những ứng dụng vượt ra ngoài hiểu biết về các tương tác bong bóng – tường. “Hiểu biết mới sẽ góp phần vào sự phát triển của những công nghệ mới trong ngành công nghiệp, chuyển giao các ứng dụng ở quy mô phòng thí nghiệm tới vận hành ở quy mô thương mại. Ví dụ, các giá trị cao của tốc độ dòng chảy tối đa và các áp suất tác động đỉnh trong nghiên cứu của chúng tôi có thể giúp giải quyết được sự tồn tại của hướng dòng chảy vi lưu và các bài toán kiểm soát xói lở xâm nhập”, giáo sư Park nói trên Phys.org.

“Hơn nữa, phương pháp mô phỏng số tiên tiến có thể mở rộng cho phân tích đa pha những dòng chảy nén trong các lĩnh vực như năng lượng tái tạo, khoa học sự sống, y sinh và các thiết bị phóng vận tốc cao”, ông nói.□