In this work, we experimentally and numerically investigate cavitation bubble dynamics in a thin liquid layer surrounded by gas. We focus on configurations featuring strongly confined bubbles at dimensionless bubble-free surface stand-off distances D* below unity. Additionally, we impose the condition of null Kelvin impulse, subjecting a bubble to the oppositely equal influence of two opposing free surfaces, resulting in the formation of two convergent water jets. We observe a diverse spectrum of jetting phenomena, including broad jets, mushroom-capped jets, and cylindrical jets. These jets become progressively thinner and faster with lower D* values, reaching radii as small as 3% of the maximal bubble radius and speeds up to 150 m/s. Numerical results reveal a linear relationship between the jet impact velocity and the local curvature at the bubble region proximal to the free surface. This suggests that the magnitude of bubble deformation during its growth phase is the primary factor influencing the observed fivefold increase in the jet impact velocity in the parameter space considered. Our findings show that bubble collapse intensity is progressively dampened with increased confinement of its environment. As D* decreases beyond a critical value, the liquid layer separating the bubble and ambient air thins, leading to the onset of interfacial shape instabilities, its breakdown, and bubble atomization. Furthermore, we compare bubbles at zero Kelvin impulse to corresponding anisotropic scenarios with a single free surface, revealing that the dynamics of axial jets until the time of impact is primarily influenced by the proximal free surface. The impact of convergent axial jets at null Kelvin impulse results in local pressure transients up to 100 MPa and triggers the formation of a fast and thin annular outflow in the form of a liquid sheet, affected by the Rayleigh–Plateau and flapping shape instability.

Traditional methods for algae removal in drinking water treatment, such as coagulation and sedimentation, face challenges due to the negative charge on algae cells' surfaces, resulting in ineffective removal. Ultrasonic cavitation has shown promise in enhancing coagulation performance by disrupting extracellular polymer structures and improving cyanobacteria removal through various mechanisms like shear force and free radical reactions. However, the short lifespan and limited mass transfer distance of free radicals in conventional ultrasonic treatment lead to high energy consumption, limiting widespread application. To overcome these limitations and enhance energy efficiency, advanced carbon-based materials were developed and tested. Nitrogen-doped functional groups on nanodiamond surfaces were found to boost sonosensitivity by increasing the production of reactive oxygen species at the sonosensitizer-water interface. Utilizing low-power ultrasound (0.12 W/mL) in combination with N-ND treatment for 5 min, removal rates of Microcystis aeruginosa cells in water exceeded 90 %, with enhanced removal of algal organic matters and microcystins in water. Visualization through confocal microscopy highlighted the role of positively charged nitrogen-doped nanodiamonds in aggregating algae cells. The synergy between cell capturing and catalysis of N-ND indicates that efficient mass transfer of free radicals from the sonosensitizer's surface to the microalgae's surface is critical for promoting cyanobacteria floc formation. This study underscores the potential of employing a low-intensity ultrasound and N-ND system in effectively improving algae removal in water treatment processes.

The paper investigates the oil–water emulsification process inside a micro-venturi channel. More specifically, the possible influence of Kelvin-Helmholtz instability on the emulsification process. High-speed visualizations were conducted inside a square venturi constriction with throat dimensions of 450 µm by 450 µm, both under visible light and X-Rays. We show that cavity shedding caused by the instability results in the formation of several cavity vortices. Their rotation causes the deformation of the oil stream into a distinct wave-like shape, combined with fragmentation into larger drops due to cavitation bubble collapse. Later on, the cavity collapse further disperses the larger drops into a finer emulsion. Thus, it turns out that the Kelvin-Helmholtz instability is similarly characteristic for hydrodynamic cavitation emulsification inside a microchannel as is the Rayleigh-Taylor instability for acoustically driven emulsion formation.

Cavitation erosion is one of the most severe problems encountered in hydraulic turbomachinery. When testing the materials, the engineers usually rely on standardized procedures. The most common one being the vibratory ASTM G-32 test, which offers two possibilities of performing the test - the direct, where the specimen is attached to the ultrasonic device and the indirect, where the specimen is stationary and exposed to the ultrasonic horn, positioned just 0.5 mm from it. The erosion rates from the two are significantly different and a question may be asked if they are at all comparable and further on are they comparable to the "real-life" hydrodynamic cavitation which occurs in turbomachinery. In this study we performed erosion tests on a stationary specimen where the gap between the specimen and the horn was varied from 0.3 to 4 mm. In addition, we used high speed visualization to observe the cavitation in the gap. We observed that the cavitation erosion rate strongly depends on the gap. From visualization we see that the cavitation dynamics significantly changes in a small gap, leading to a large, but 2-dimensional cavitation bubbles which collapse very slowly, compared to the small spherical ones in a larger gap. We investigated the probability of shock wave occurrence and derived a very simple model, which gives accurate qualitative predictions of experimental data. Finally, the study puts into question the validity of ASTM G32 test - the most common approach used in engineering today.

Droplet deposition with material-jetting methods such as thermoplastic 3D printing (T3DP) depends greatly on the rheological properties of the feedstocks. This study investigated the effect of particle interactions and the degree of weak flocculation on the shear thinning behaviour, the yield stress and the storage/loss moduli of paraffin-wax-based feedstocks containing 40 vol.% of zirconia (3Y-TZP) micron-sized powder. Steric stabilization of the feedstocks was provided by varying the ratios of the surfactants with different chain lengths, i.e., stearic acid (2.4 nm) and Solsperse 3000® (10 nm), which in turn affected the dynamics of the droplet formation and the quality of the layers when jetting non-Newtonian, thermoplastic ceramic feedstocks. The results of the study extend the guidelines for the processing of printable feedstocks used in T3DP additive manufacturing.