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Kavitationsblasen sind kalte Dampfblasen, die h ̈aufig in schnellen Str ̈omungen auftreten. Nachdem solch eine Blase auf ein maximales Volumen aufgeschwungen ist, implodieren sie wieder. W ̈ahrend dieses so genannten Kollapses b ̈undeln die Kavitationsblasen die kinetische Energie der Fl ̈ussigkeit f ̈ur kurze Zeit auf ein kleines Volumen. Dabei entstehen lokal hohe Temperaturen und sehr Dr ̈ucke. Wenn der Kollaps der Blase in der N ̈ahe einer starren Struktur, z. B. eines Tragfl ̈ugels oder der Schaufeln einer Pumpe, geschieht, k ̈onnen deren Oberfl ̈achen erodiert werden. Der F ̈ahigkeit von Kavitationsblasen, Energie zu b ̈undeln, ist bereits viel wissenschaftliche Aufmerksamkeit geschenkt worden. Dennoch, wurde dabei auf die Wirkung einer externen Str ̈omung nur wenig eingegangen. Unsere j ̈ungsten Ergebnisse zeigen jedoch, dass leichte Asymmetrien w ̈ahrend des Kollapses, die z. B. durch ein Hintergrundstr ̈omung bestimmt wird, die Energiefokussierung drastisch verst ̈arken k ̈onnen. Obwohl die meisten Kavitationsph ̈anomene in realen Anwendungen in Gegenwart einer Str ̈omung auftreten, wurde deren Auswirkung auf die En- ergiefokussierung und insbesondere auf die Erosion bisher nicht auf der Ebene einer einzelnen Blase untersucht. Im vorliegenden Antrag wollen wir die Bedeutung von Str ̈omungen auf einzelne Blasen, die in der N ̈ahe von starren Grenzfl ̈achen kollabieren, aufkl ̈aren. Zu diesem Zweck setzen wir Kavitationsblasen zwei Arten von Str ̈omungen aus: einer Staupunktpunktstr ̈omung, die durch einen Wandstrahl realisiert wird, und einer druckgetriebenen Scherstr ̈omung. Die Untersuchungen der Scherstr ̈omungen werden in eine simple planare Str ̈omung und eine radial expandierende Scherstr ̈omung unterteilt. Methodisch werden wir Hochgeschwindigkeitsaufnahmen, akustische Messungen mit hoher Bandbreite, achsensymmetrische Volume-of-Fluid-Simulationen und die Analyse des erodierten Volumens mit einem konfokalen Laserscan- ning Mikroskop verwenden. Wir wollen verstehen, wie eine Str ̈omung die Energiefokussierung beein- flusst, also ob solche Str ̈omungen die Kavitationserosion verhindern oder verst ̈arken. Die Auswirkungen dieser Erkenntnisse w ̈aren weitreichend. Sie k ̈onnten die Kavitationserosionsmodelle in der numerischen Str ̈omungsmechanik anleiten, um realistischere Vorhersagen f ̈ur die Integrit ̈at des Werkstoffs zu erzielen. Auch f ̈ur die Auslegung kavitationsanf ̈alliger Str ̈omungen, z. B. bei D ̈usen, Propellern, Kr ̈ummern in Rohrstr ̈omungen oder sogar f ̈ur die Umstr ̈omung von k ̈unstlichen Herzklappen, w ̈are es von Vorteil, wenn man w ̈usste, wie Erosion bei Str ̈omung vermieden werden kann. Hier wollen wir nicht vergessen, dass durch eine Energien B ̈undelung sich auch positive Effekte erzielt lasen, wie zum Beispiel bei der Erzeugung von Nanopartikeln, dem kavitationsbasierten H ̈arten (peeing) von Werkstoffen oder durch eine Erho ̈hung der Effizienz in sonochemischen Reaktoren. Wir sehen diesen Antrag als einen wichtigen ersten Schritt zum Verst ̈andnis von Kavitationserosion in realen Str ̈omungen.

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Kavitation bezeichnet die Bildung von Blasen fern des Gleichgewichts, d.h. die Blasen ziehen auf ein viel gr ̈oßeres Volumen als ihr Ruhevolumen auf. Dies kann entweder durch die Zufuhr von Energie erreicht werden, bei der in der Fl ̈ussigkeit explosionsartig ein Hohlraum erzeugt wird oder durch eine Zugspannung, die eine bereits existierende Blase aufzieht. Die beiden Methoden erreichen, dass sich eine Blase viel gr ̈oßer als ihr Gleichgewichtsradius aufzieht. Kavitationsblasen, die so erzeugt werden, implodieren nach dem Erreichen ihrer maximalen Gr ̈oße und konzentrieren die kinetische Energie der Fl ̈ussigkeit, wodurch der Blaseninhalt auf einen enormen Druck bei hohen Temperaturen komprimiert wird. Im sogenannten Kollaps entstehen chemische Reaktionen, Stoßwellen und schnelle Fl ̈ussigkeitsjets, und es kommt zu Materialerosion im sich im Wirkungsradius befindlicher Oberfl ̈achen.

Der Vorteil der Kavitationserzeugung durch Energiezufuhr liegt in der ausgezeichneten Kontrolle der Blasendynamik. Eine Zugspannung kann jedoch beispielsweise mittels eines Ultraschallfeldes leichter erzeugt werden. Der vorliegende Antrag ist eine Fortsetzung des erfolgreichen von der DFG gef ̈orderten Projekts OH 75/4-1, das im September 2023 endet. Dort wurde die Wechselwirkung zwischen einer kollabierenden oder expandierenden Kavitationsblase und eines elastischen Feststoffs experimentell und numerisch untersucht. Der numerische L ̈oser wurde im OpenFOAM-Framework als Volume-of-Fluid- Methode realisiert. Wir m ̈ochten diese Methode und das Wissen nun zur Untersuchung von nicht- sph ̈arischen Kavitationsblasen in einem Schallfeld nutzen. Unser Fokus liegt auf der Wechselwirkung der Kavitationsblase mit dem Schallfeld, in Verbindung mit einer Grenzfl ̈ache und in d ̈unnen Spalten. In den Experimenten wird die Kavitationsblase mit einem Laserimpuls in einem Schallfeld eines akustischen Horns erzeugt. Das Projekt ist in drei Arbeitspakete unterteilt. Zun ̈achst m ̈ochten wir den Einfluss von Phase des Schalls, dessen Amplitude und der Position der Blase im stehenden Schallfeld f ̈ur die sich ergebende nicht-sph ̈arische Blasendynamik verstehen. Im zweiten Arbeitspaket wird die Blase in der N ̈ahe einer Grenzfl ̈ache erzeugt, wobei die Anziehungskraft der Grenzfl ̈ache mit dem akustischen Druck- gradienten konkurriert. Dies wird zu einer komplexen Str ̈omung in der Grenzschicht zwischen Blase und Grenzfl ̈ache f ̈uhren, den wir aufl ̈osen werden. Im dritten Teil des Antrags wird die Blasendynamik in planaren Fl ̈ussigkeitsschichten begrenzt durch feste Grenzfl ̈achen untersucht. Alle drei Arbeitspakete er- reichen eine Vernetzung aus Experiment und Simulation, indem die Simulationen am Experiment validiert werden und schließlich die numerische Messung der Kr ̈afte und Str ̈omungen erlauben, die experimentell nur schwer oder nicht zug ̈anglich sind.

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Das Interesse an blaseninduzierten Scherspannungen wird durch eine Vielzahl technischer, chemischer und biomedizinischer Anwendungen begründet, bei denen dieser Effekt genutzt wird. Ultraschallreinigung, Mikromischen von Flüssigkeiten, Intensivierung chemischer Reaktionen und Wärmeaustauschprozesse sind Beispiele für derartige Anwendungen im technischen Bereich. Im biomedizinischen Bereich sind die ultraschallvermittelte Verabreichung von Medikamenten, die ultraschallinduzierte Öffnung der Blut-Hirn-Schranke, die Lyse von Bakterien oder die Desinfektion Beispiele für blasenvermittelte Bioeffekte. Jahrzehntelang konzentrierten sich die Forschungsarbeiten hauptsächlich auf die gewalttätigen Mechanismen, die sich aus dem Zusammenbruch von Blasen ergeben, einschließlich der Stoßwellenemissionen und der Erzeugung von Mikrostrahlen. Jüngste sensible Anwendungen haben gezeigt, dass auch rein oszillierende Blasen durch die Erzeugung von Scherspannungen erhebliche mechanische Effekte auf starre oder elastische Oberflächen haben können. Diese Scherspannung resultiert aus den Flüssigkeitsströmungen, die in der Nähe der oszillierenden Blasen entstehen. Bisher wurde die Beeinflussung und Veränderung von Oberflächen durch blaseninduzierte Scherspannungen hauptsächlich qualitativ untersucht. Die quantitative Messung der Scherspannung sowie die potenzielle Kontrolle der von einer oszillierenden oder kollabierenden Blase in der Nähe starrer und elastischer Oberflächen ausgeübten Kraft stellen nach wie vor eine Herausforderung dar.
Das CaviStress-Projekt konzentriert sich folglich auf die Quantifizierung von blaseninduzierten Scherspannungen durch theoretische, numerische und experimentelle Untersuchungen des Zusammenspiels zwischen einer Kavitationsblase und einer Grenzfläche in der Nähe. Das Hauptziel des Projekts ist die Kontrolle und Optimierung von Wandschubspannungen, die durch kavitierende Blasen induziert werden, und ihre Anwendung in zwei verschiedenen Bereichen: (i) die Partikelentfernung auf festen Oberflächen und (ii) die molekulare Aufnahme in biologische Zellen.
Wir untersuchen theoretisch und numerisch die Schubspannung, die durch oszillierende und kollabierende Blasen sowohl in der Flüssigkeit als auch in der Nähe starrer oder elastischer Wände induziert wird. Die blaseninduzierten Flüssigkeitsströmungen werden theoretisch abgeleitet. Die grundlegenden Erkenntnisse werden mit kontrollierten Experimenten verglichen, vom Fall einer einzelnen Blase bis hin zu einem realistischen Streamer mit mehreren Blasen, in dem Turbulenzen und Vermischungen auftreten. Sobald die Flüssigkeitsströmungen charakterisiert sind, wird die Scherspannung theoretisch und numerisch quantifiziert. Die experimentelle Untersuchung der Auswirkung der Scherspannung auf starre Wände konzentriert sich auf ihre Skalierungsabhängigkeit und ermöglicht so die Ermittlung von Parameterbereichen, in denen eine schadensfreie Reinigung empfindlicher Oberflächen möglich ist. Parallel dazu konzentrieren sich experimentelle Untersuchungen der Scherspannung an elastischen Wänden auf die Internalisierung von Molekülen in biologische Zellen, indem die Effizienz der Zellporenbildung durch gut kontrollierte oszillierende oder kollabierende Blasen bewertet wird. Die erwartete Quantifizierung und Differenzierung der blaseninduzierten mechanischen Effekte ebnet den Weg zu verbesserten ultraschallbasierten Verfahren zur Reinigung und Medikamentenabgabe durch Blasen.
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Nanoblasen haben das Potenzial, die Reinigung von Oberfläche zu revolutionieren, indem man größtenteils auf Chemikalien verzichten kann. Mit einer Größe von 100-500nm können Nanoblasen in kleinste Risse eines Materials eindringen und Schmutzpartikel an ihrer Oberfläche binden, um sie dann auch effektiv zu entfernen. Im Rahmen dieses Projekts wird die Verwendung von Nanoblasen in einem Wasserstrahl zur Oberflächenreinigung untersucht. Es werden verschiedene Methoden zur Erzeugung der Nanoblasen untersucht, darunter die Verwendung eines kommerziellen Nanoblasengenerators, sowie die Erzeugung durch akustische Kavitation. Bisher waren die erzielbaren Konzentrationen an Nanoblasen mit kommerziellen Generatoren stark begrenzt. In dieser Arbeit soll eine hochkonzentrierte wässrige Suspension von Nanoblasen erzeugt werden. Vorexperimente an der Otto-von- Guericke-Universität konnten zeigen, dass dies möglich ist und es existiert ein erster Prototyp. Der Antrag soll mit quantitativen Messungen Reinigungskraft von Nanoblasen verifizieren, um den Weg zu einer nachhaltigen Entfernung von Schmutzpartikel zu bereiten.

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Humboldt Research Fellowship Programme for Experienced Researchers
While needles and syringes are among the common methods to administer vaccines and dermatological medications, they suffer from numerous disadvantages, including unsafe practices, exposure to infections, needle phobia, lack of reusability, and disposal and environmental problems. A safe alternative to deliver vaccines and other immunological products is the needle-free injection method (NFIM), using a high-velocity liquid jet created via a laser pulse exciting the injection drug fluid. Major limitations of this method are severe pain, penetration depth variability, skin hole size variability, skin irritation, etc. Many of these limitations have roots in the jet flow dynamics and they are caused by undesirable jet dispersion, jet widening, jet flow instabilities (e.g. droplet formation), atomization or spray, jet tip deformation, splash, inhomogeneous penetration into skin, etc. In this context, my interdisciplinary research project proposes to remove the aforementioned limitations of the NFIMs, via immersing the high-velocity liquid jet into a viscoplastic fluid, filling the space between the liquid drug and the skin (known as the stand-off). This high-risk approach may allow us to use a viscoplastic fluid to properly surround the jet, confining it to a stable cylindrical form that precisely/controllably penetrates into the skin target area, while reducing the jet widening and jet instabilities (break-ups); subsequently, the jet can reach the desired penetration depth, with a precise penetration width/shape. My specific research objectives include: (i) examining the effects of filling the stand-off distance with viscoplastic fluids on the jet flow development, possibly stabilizing and controlling the jet; (ii) examining the subsequent penetration of the submerged jet into a multilayer skin model; (iii) analyzing the skin model response to the jet penetration. These objectives will be achieved via novel experiments and mathematical modeling approaches.

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Mikroskopische Aerosole wurden als die Hauptinfektionswege fu¨r SARS-CoV-2 identifiziert. Diese Tro¨pfchen werden tief in der Lunge aus Auskleidungsflu¨ssigkeiten erzeugt. Wa¨hrend der Atmung bilden sich du¨nne Filme und reißen auf, wodurch feine Tro¨pfchen freigesetzt werden, die die Viruslast einkapseln. Im Gegensatz zu gro¨ßeren Tro¨pfchen, die sich in den oberen Atemwegen bilden, bleiben mikroskopisch kleine Tro¨pfchen, die hier untersucht wurden, viel la¨nger in der Luft schwebend und stellen somit ein ho¨heres Risiko fu¨r luftu¨bertragene Infektionen dar. Hier wird sich ein interdisziplina¨res Forschungsteam mit der Wissenschaft der Aerosolerzeugung und Viruseinkapselung befassen, das medizinisches, biologisches und stro¨mungsmechanisches Fachwissen verbindet. Wir werden den Schwerpunkt auf realistische Flu¨ssigkeiten zusammen mit Viruspartikeln legen und uns auf die schnellen und empfindlichen Stro¨mungen konzentrieren, die zu Filmbru¨chen, Tro¨pfchenbildung, Verkapselung und Stabilisierung fu¨hren. Der Schwerpunkt liegt auf Experimenten mit hoher ra¨umlich-zeitlicher Auflo¨sung, Simulationen des Zersta¨ubungs- und Tropfenbildungsprozesses von du¨nnen Filmen und der biologischen Virulenz der dabei erzeugten Aerosolpartikel. Wa¨hrend die Forschung durch die Virulenz von SARS-CoV-2 motiviert wurde, werden auch andere Virenarten getestet, um die grundlegende Mechanismen zu entschlu¨sseln, die zu einer U¨bertragung von Krankheitserregern aus der Lunge u¨ber die Luft erlauben.

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Cavitation bubbles create enormous forces tangential to a surface, yet the small spatial and short timescales have so far hindered a detailed investigation. These forces have to be accounted for in an abundant number of chemical, biomedical, and materials processes. Examples range from eye-surgery to silicon wafer processing, from sterilization of surgical instruments to turbo-machinery. For all this processes it is important to gain a fundamental understanding of the forces caused by the violent bubble dynamics on a nearby boundary. While pressure forces acting normal to the boundary having received a lot of attention, the forces mediated through viscosity and acting tangentially to the surface are very little understood.
Here, we will combine numerical simulation and experiments to unravel the complex flow created by non-spherical oscillating bubbles and the thereby created forces on the boundary. In particular we will quantify the shear stress acting spatially and time-dependent on the substrate. To connect better to applications we will not only focus on a flat substrate but also extend our studies to decorated surfaces.
The PI’s group conducted the first experiments to measure the shear stress back in 2008 (Dijkink et al., Appl. Phys. Lett 2008). There, single laser induced bubbles revealed a lower bound of the wall shear stress (e.g. the tangential force) of several thousand kilopascals. Recent simulations from his group predict that the wall shear stress may be locally even an order of magnitude higher than measured.
The first goal of the present project is to provide conclusive answers for the time-dependent magnitude and distribution of the wall shear stress. A second goal is to model and measure the forces acting on surfaces with structures to provide insight to more application relevant situations. The third part is the extension of the studies acoustic driven cavitation, i.e. to many cycles of bubbles approaching a surface.
The deliverables of the project are: (1) to develop a novel technique to measure simultaneously temporally and spatially resolved the wall shear stress, (2) detailed understanding how bubbles create viscosity mediated forces on boundaries, and (3) experimentally validated simulations which will be made available to the public by using the OpenFOAM framework.

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UCOM ist ein innovatives Marie-Sklodowska-Curie-Ausbildungsnetz, ein gemeinsames Forschungsausbildungs- und Promotionsprogramm, das von der EU finanziert und von einer Partnerschaft aus hochrangigen Universitäten, Forschungseinrichtungen und nichtakademischen Organisationen in acht verschiedenen Ländern durchgeführt wird.
UCOM ist das Akronym für das Projekt "Ultrasound Cavitation in sOft Materials". Es beginnt am 1. Oktober 2018 und endet am 30. September 2022. Das UCOM-Netz ist international (mit Begünstigten und Partnern aus der EU, der Schweiz, den USA, Japan und China), interdisziplinär (Mechanik, Physik, Medizin und Biomedizintechnik), sektorübergreifend (mit akademischen und nichtakademischen Einrichtungen) und innovativ (mit bisher nicht untersuchten Themen).
15 Doktoranden werden von den forschungsorientierten Organisationen des Konsortiums eingestellt, um neue hochmoderne Kavitationsmodelle und Wechselwirkungen mit weichen Materialien (z. B. Gewebe) zu entwickeln, zu verbessern und anhand vorhandener und neuer experimenteller Daten zu validieren. Gleichzeitig bietet das UCOM-Projekt den jungen Forschern die Möglichkeit, Kenntnisse, Fähigkeiten und Fachwissen zu erwerben, aber auch strategische Partnerschaften mit führenden Einrichtungen in der ganzen Welt einzugehen, um sie auf diese Weise auf eine erfolgreiche Karriere im öffentlichen oder privaten Sektor vorzubereiten.
Dieser Text wurde mit DeepL übersetzt

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Das Entfernen von unpolaren tröpfchenartigen Anhaftungen mittels eines schnellen und transienten Wasserstrahls soll in diesem Forschungsprojekt untersucht werden. Hierzu werden Experimente und Strömungsimulationen von laserinduzierten Kavitationsblasen auf mikroskopischer räumlicher Skala und einer Submikrosekunden-Zeitskala zur quantitativen Analyse durchgeführt. Die durch den asymmetrischen Blasenkollaps gebildeten Mikrojets erreichen Geschwindigkeiten von bis zu 100 m/s und erzeugen Wandschubspannungen von über 105 N/m2 . Auf Basis dieser Mikrojets gehen wir die Frage an, welche Stärke und Einwirkzeit der vom Jet erzeugten Wandschubspannungen notwendig ist, um hochviskose unpolare Verschmutzungen abzulösen. Die angestrebten Experimente und Simulatio- nen erlauben es mit bisher nicht erreichter Auflösung die Mechanismen des mikroskopischen Kärcherns zu verstehen und den Weg für neue Techniken zur kavitationsgestützen Präzisionsreinigung zu bereiten. Wir erwarten als Ergebnis, dass nicht nur Vorschläge für die Optimierung von bisherigen Strahlreinigern gemacht werden können, sondern wir auch Vorschläge geben, wie optische und hydrodynamische Kavitation zur schonenden Entfernung von Oberflächenverschmutzungen genutzt werden können.

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Gases dissolved as molecules in water support life from bacteria to fish stocks. Recently claims emerged that water can be stably oversaturated by creating gaseous bodies, aka nanobubbles. These claims were supported with reports of their beneficial use. Yet as of now scientific proofs that nanobubbles exist are absent. Here, we will provide answers to the pertaining questions if these nanobubbles exists, what stabilizes them, and how they can be generated. Prof Ohl focuses on the formation of individual nanobubbles and their stabilization, while Prof Sun (China) evaluates large populations of nanobubbles through pressure sensitive dynamic light scattering.

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Die Blasendynamik in Flüssigkeiten wie zum Beispiel in Wasser ist bereits sehr detailliert untersucht, jedoch wenn es um medizinische Anwendungen geht müssen wir auch die speziellen Eigenschaften vom Gewebe mit berücksichtigen. Insbesondere die rücktreibende Kraft des Gewebes beeinflusst die Dynamik der Blase aber erzeugt auch ganz neue Phänomene. In diesem Projekt untersuchen wie ein idealisiertes Gewebe Einfluss nimmt und wie Scherwellen im Gewebe erzeugt werden.

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Kavitationsblasen können nicht nicht nur metallene Oberflächen erodieren sondern auch Oberflächen die mit einem Polymer geschützt sind abschmelzen. Wir untersuchen ob und wieweit viskose Dissipation in der Strömung die Temperatur von Polymeren über die Glastemperatur erhöhen kann. Dazu benutzen wir Fluoreszenztechniken und sehr schnelle Tempearturfühler die mit Hochgeschwindigkeitsaufnahmen kombiniert werden. Die Kavitationsblasen werden mit einem Laser erzeugt. Ferner modellieren wir die Strömung, die entstehenden Wanschubspannungen und auch die Wärmeerzeugung durch viskose Dissipation in der instationären Grenzschicht.

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Der Wärmetransport beim Kochen basiert auf dem Ablösen von Blasen von der heissen Oberfläche. Da die Blasen durch die Auftriebskraft abgelöst werden ist der Wärmetransport abhängig von der Orientierung des Heizelements. Wir haben einen neues Regime des Kochens gefunden, bei dem die Blasen an der Oberfläche oszillieren und sich nicht ablösen. Hier wird der Wärmetransport durch Marangonikräfte und die Oszillation bestimmt. Wir studieren dieses neue Regime des Kochens, modellieren, und versuchen es auf viele gleichzeitig oszillierende Blasen auszuweiten.

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