使用Basilisk模拟可压缩欧拉流体中气泡坍塌的高马赫数运动

我们研究了实验可实现声致发光的一个极端情况，其中球形空腔的初始半径是其环境半径的10到20倍，并且在坍塌过程中其半径变化超过100倍。在众多物理过程中，我们关注流体可压缩性，使用均熵欧拉流体的Tait-Murnaghan状态方程进行建模。为了捕捉这种极端运动，其相对于环境声速的马赫数在内爆的最后阶段大于1，需要超越Rayleigh和Gilmore经典方法的方法。为此，我们应用了在Basilisk框架中开发的全马赫数求解器，该求解器被积极用于模拟气泡动力学。为了捕捉高马赫数运动并解析声致发光状态下的动力学，我们对气泡内部的理想气体采用了成熟的均匀气泡近似。在此近似下，全马赫数求解器获得了描述气泡壁$R(t)$演化的数值收敛结果。尽管可压缩性减缓了坍塌，但这些气泡达到了超过周围流体环境声速的速度。我们的方法适用于各种流体，并应用于液态锂和水。我们的结果再现了水和液态锂在空腔情况下的状态方程依赖的渐近幂律区域，与解析计算预测一致。当空腔充满理想气体时，液态锂中马赫数大于1的转变发生在坍塌的后期，比水更晚，这使得液态锂成为实现更高能量密度集中的可能候选者。此外，无需实现特设的构造算法，即可捕捉到可以诊断不透明流体（如液态锂）中空化的出射冲击波。