De vernietigende kracht van bellen beperken

Het werk, geleid door ingenieurs van de Universiteit van Waterloo, onderzoekt een fenomeen dat bekend staat als cavitatie, of de vorming en ineenstorting van destructieve met gas gevulde bellen als gevolg van snelle drukveranderingen in vloeistoffen.

Cavitatie zit achter een bekende feesttruc waarbij de bodem van een met vloeistof gevulde fles wordt verbrijzeld door met de palm van je hand op de open bovenkant te slaan.

"De groei en ineenstorting van cavitatiebellen is fascinerend", zegt Zhao Pan, een professor in mechanische en mechatronische engineering die het onderzoek leidde. "Ze zijn meestal klein en snel, maar ze kunnen zelfs op oppervlakken zoals harde legeringen en glas ernstige schade aanrichten."

De onderzoekers ontwikkelden een theoretisch model om de vorming en grootte van grote, bijzonder schadelijke bellen te voorspellen op basis van de versnelling en snelheid van de vloeistofstroom. Experimenten met hogesnelheidsfotografie bevestigden de theorie.

De informatie die door het model wordt verstrekt, helpt ingenieurs hydraulische systemen te ontwerpen en bedieningsrichtlijnen te ontwikkelen om slijtage tot een minimum te beperken, grote storingen te voorkomen en de betrouwbaarheid van de technologie te verbeteren.

Bij de partytruc veroorzaakt het raken van de fles een hoge versnelling van de vloeistof ten opzichte van de wanden van de fles. Dat vermindert de druk van de vloeistof op de bodem, waardoor er snel gasvormige bellen ontstaan. Wanneer die bellen instorten of imploderen, creëren ze tijdelijk hoge temperaturen, snelle microjets en schokgolven. Die effecten zijn krachtig genoeg om het glas te breken.

Het fenomeen is een veel voorkomende boosdoener bij bijvoorbeeld beschadigde waterleidingen en scheepsschroeven. In extreme gevallen heeft het geleid tot rampzalige leidingstoringen in waterkrachtcentrales.

"Aan de andere kant kan de kracht van deze bubbels ook voorgoed worden benut", zei Pan. "Cavitatie kan worden gebruikt om nierstenen af ​​te breken, bacteriën te doden zonder chemicaliën te gebruiken, en zelfs bij de productie van bier en chocolade."

Pan werkte eerder samen met onderzoekers in Japan en de Verenigde Staten aan een nieuwe theorie van kleine cavitatiebelletjes veroorzaakt door de versnelling van vloeistoffen, die uitlegde hoe de truc werkt. Recent werk breidt die resultaten uit tot het voorspellen van grote bellen. Een paper over het onderzoek, over de criteria van grote cavitatiebellen in een buis tijdens een voorbijgaand proces, verschijnt in de Journal of Fluid Mechanics.