Multibubble cavitation inception

複数気泡系におけるキャビテーション初生

井田 真人

Ida, Masato

J-PARC中性子源の開発において、高エネルギー陽子ビームの入射直後に水銀中で発生するキャビテーションが問題となっている。衝撃試験装置を用いたオフビーム実験により、キャビテーションによって発生した多数の気泡が高速の水銀ジェットを噴射し、水銀を囲う中性子源容器の寿命を著しく短縮する可能性が示唆されたのである。本論文では、キャビテーション抑制技術開発への一助とすべく、キャビテーション開始直後の複数気泡の振る舞いを詳細解析した。それにより、気泡核が複数ある場においては、液体中に十分に強い負圧が発生した場合にも、(a)その一部のみが急膨張を起こし、その他はほぼ静止したままの状態に保たれる場合があること、(b)気泡の急膨張が他の気泡の膨張に遮られ、崩壊に転ずる場合があることなどを見いだした。また、(c)多数の気泡核が存在する場合、液体中の負圧が大きく減少する場合があることなども明らかになった。これらの知見は、多数の気泡が発生し相互作用する実際的な場での気泡の複雑な振る舞いを理解するうえで有用になるものである。

The inception of cavitation in multibubble cases is studied numerically and theoretically to show that it is different from that in single-bubble cases in several aspects. By examining in detail the dynamics of interacting cavitation bubbles, we found that (a) a relatively large bubble can significantly decrease the cavitation threshold pressure of a nearby small bubble and (b) the explosive expansion of a bubble under negative pressure can be interrupted and turn into collapse even though the far-field liquid pressure well exceeds the bubble's threshold pressure. When we extended the discussion to systems of larger numbers of bubbles, we found that (c) a larger number of bubbles decrease the magnitude of the negative pressure of the surrounding liquid by a greater degree. The present findings would be useful in understanding the complex behavior of cavitation bubbles in practical applications where in general many cavitation nuclei exist and may interact with each other.