Investigation of shock waves and fluid flows which are generated by short and ultrashort intense laser pulses within a small volume (lateral dimension less than 10 micron, mostly micro channels)
Final Report Abstract
Stoßwellen sind in vielen Gebieten der Physik und Technik von Interesse. Üblicherweise treten diese als makroskopische Phänomene auf, z.B. in der Astrophysik, der Luft- und Raumfahrt oder der Medizintechnik, z.B. in der Stoßwellenlithotripsie. Auf der anderen Seite gewinnt das Gebiet der Mikrophysik und Mikrotechnik heutzutage zunehmend an Bedeutung. Das Ziel des Projektes war es das Gebiet der Stoßwellenphysik in den „Mikrobereich“ auszuweiten und hier „weltweites Neuland zu beschreiten“. Dies ist gelungen. Dabei hat sich herausgestellt, daß die bedeutendsten Ergebnisse des Projektes in zwei leicht unterschiedliche, aber doch zusammenhängende, Teile eingeteilt werden können. Im ersten Teil wurde eine neue Methode entwickelt (laserinduced micro shock waves, LIMS), welche es erstmals erlaubt Stoßwellen in einer Kapillare mit weniger als 100 µm Durchmesser direkt zu erzeugen und anschließend deren Ausbreitung zu untersuchen. Diese Methode basiert auf einem lasererzeugten Plasma (LEP), welches eine kräftige Stoßwelle generiert, welche sich ihrerseits in eine Kapillare ausbreitet. Die dabei relevanten „Zündprozesse“ des LEP sowie die dadurch ausgelöste Stoßwelle, wurden eingehend experimentell untersucht und mittels hydrodynamischen Berechnungen simuliert. Im Rahmen des Projektes wurden verschiedene Szenarien der LIMS mit Luft als Fluid untersucht. Hierbei wurde insbesondere die Dichte und die Machzahl bei verschiedenen Abständen der Stoßfront von ihrem Entstehungsort gemessen. Im Gegensatz zu einigen üblicherweise eingesetzten Diagnostiken basierte die Messung auf optischen Methoden, wodurch sich einige bedeutende Vorteile ergaben, die es insbesondere erlaubten die Dichte bzw. den Dichtegradienten mit sehr hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung zu messen, was wiederum für Teil II) unumgänglich war. Es wurden die Abschwächungsmechanismen der sich ausbreitenden Stoßwelle und Skalierungseffekte untersucht. Die parallel dazu durchgeführten Navier-Stokes-Simulationen zeigten eine gute Übereinstimmung mit den experimentellen Ergebnissen. Unseres Wissens nach sind dies die ersten Untersuchungen von direkt erzeugten Mikrostoßwellen auf derart kleiner Skala (die kleinsten untersuchten hydraulischen Durchmesser betrugen 50 µm). Im zweiten Teil wurden Stoßwellen mit einem Magnetventil erzeugt, wenn auch nicht auf ganz so kleiner Skala wie zuvor. Allerdings wurden, bezogen auf den Durchmesser, vergleichsweise lange Stoßwellenausbreitungsstrecken diagnostiziert. Die besondere Bedeutung der hierbei gewonnenen Resultate liegt auf der detaillierten und insbesondere auf der erstmaligen Messung der Ausbreitung der Kontaktfläche und ihres Abstandes zur Mikrostoßwelle während der Propagation. Dies ermöglicht es nun erstmals einen für die Stoßwellen wichtigen Skalierungsfaktor zu bestimmen. Weiterhin wurden Abweichungen zur Stoßwellenausbreitung im maksroskopischen Bereich (hydraulischer Durchmesser mm oder größer) gefunden. Es zeigte sich, daß dadurch auch weitere Modifikationen in der Stoßwellentheorie erforderlich werden. Insgesamt haben die im Rahmen des Projektes gewonnenen Kenntnisse eine grundlegende und wichtige Bedeutung für die Stoßwellenphysik.
Publications
- Experimental investigation of laser generated shock waves and the onset of evaporation in a mini-shock glass tube filled with water, Proc. 21st International Shock Interaction Symposium (eds. I. Krassovskaya, A. Podlaskin), Riga, Lettland, 3.-8. August (2014), 168-170
Y. Kai, B. Meyerer, W. Garen, U. Teubner
- Experimental investigation of shock-bubble properties at the liquid- air phase boundary, Proc. 30th International Symposium on Shock Waves (ISSW30), 19.-24. Juli 2015, Tel Aviv, Vol. 2, 1153-1157
W. Garen, B. Meyerer, Y. Kai, W. Neu, S .Koch, U. Teubner
(See online at https://doi.org/10.1007/978-3-319-44866-4_63) - Generation and propagation of shock waves in sub-millimeter capillaries, Proc. 30th International Symposium on Shock Waves (ISSW30), 19.-24. Juli 2015, Tel Aviv, Vol. 2, 1201-1204
Y. Kai, W. Garen, U. Teubner
(See online at https://doi.org/10.1007/978-3-319-44866-4_71) - Shock wave emission during the collapse of cavitation bubbles, Shock Waves 26 (2016) 385-394
W. Garen, F. Hegedüs, Y. Kai, S. Koch, B. Meyerer, W. Neu, U. Teubner
(See online at https://doi.org/10.1007/s00193-015-0614-z) - A Novel Shock Tube with A Laser Plasma Driver, Laser and Particle Beams 35 (2017) 610-618
Y. Kai, W. Garen, T. Schlegel, U. Teubner
(See online at https://doi.org/10.1017/S0263034617000635) - Laser-plasma induced shock waves in micro shock tubes, New.J.Phys. 19 (2017) 103016
U. Teubner, Y. Kai, T. Schlegel, D.E. Zeitoun, W. Garen
(See online at https://doi.org/10.1088/1367-2630/aa83d8) - Experimental Investigations on Microshock Waves and Contact Surfaces, Phys.Rev.Lett. 120 (2018) 064501
Y. Kai, W. Garen, U. Teubner
(See online at https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.120.064501) - (2019) Laser-Induced Shock Waves in Micro Tubes. In: Sasoh A., Aoki T., Katayama M. (eds) 31st International Symposium on Shock Waves 2. ISSW 2017. Springer, Cham. pp 611-616
U. Teubner, Y. Kai, T. Schlegel, W. Garen
(See online at https://doi.org/10.1007/978-3-319-91017-8_76) - (2019) The Influence of a Pulsed Driver on the Micro Shock Propagation. In: Sasoh A., Aoki T., Katayama M. (eds) 31st International Symposium on Shock Waves 1. ISSW 2017. Springer, Cham. pp 777-782
Y. Kai, W. Garen, U. Teubner
(See online at https://doi.org/10.1007/978-3-319-91020-8_92)
