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Sonotrodenprüfstand

Ansprechpartner: M.Sc. Felix Schreiner, Dr.-Ing. Maximilian Paßmann, Artem Tukalov

Am Sonotrodenprüfstand des Lehrstuhls (siehe Abbildung 1) werden Kavitationserosionsmessungen nach ASTM G32 durchgeführt, um den Einfluss verschiedener Fluideigenschaften technisch relevanter Gemische auf die Kavitation und Kavitationserosion zu bewerten. Hierfür wurde ein geschlossener Prüfstandsaufbau mit integriertem Fluidkreislauf konzeptioniert, der es ermöglicht Gasgehalt, Temperaturniveau und Druck einzustellen.


Hintergrundinformationen:

In einer Sonotrode werden durch die oszillierende Bewegung eines Aktuators Kavitationsblasen erzeugt (vgl. auch Abbildung 2 a). Die Anregung erfolgt dabei mit etwa 20kHz, so dass auch von akustischer Kavitation gesprochen wird. Im Spalt zwischen Aktuator und Gegenprobe entstehen komplexe Blasenwolken, in denen die Einzelblasen vibrieren, miteinander verschmelzen und schließlich einzeln oder in größeren Wolken zusammenfallen. Bei der Implosion herrschen kurzzeitig sehr hohe Drücke, welche die Gegenprobe erodieren (vgl. auch Abbildung 2 b-d). Der Mechanismus des Materialabtrags ist dabei sehr komplex, da mikroskopische Effekte wie die lokale Gefügestruktur einen Einfluss auf die Materialantwort haben. Am Sonotrodenprüfstand werden Materialabtragsraten gemessen oder optische Untersuchungen der Blasenstrukturen durchgeführt. Parameter der Erosionsgeschwindigkeit sind beispielsweise das Fluid (insbesondere Blasenkeimgehalt, z.B. gelöste Gasbläschen, und Verdampfungsdruck) das Material der Gegenprobe selbst (Werkstoffkennwerte, insbesondere Bruchfestigkeit) und Umgebungsgrößen wie Temperatur und Umgebungsdruck.


Untersuchungsschwerpunkte:
  • Kavitationserosionsmessungen
  • Optische Untersuchungen der Kavitationsphase
  • Kavitation in Ersatzkraftstoffen und ihren Gemischen

Verfügbare Messtechniken:
  • Präzise Bestimmung des Materialabtrags (Massenverlust) infolge von Erosion.
  • Zeitlich hochaufgelöste Druckmessung (f = 10 MHz) an der stationären Gegenprobe über PVDF (Polyvinylidenfluorid) Sensoren.
  • Lokale Druckmessung über ein faseroptisches Sondenhydrophon
  • Möglichkeiten zur optische Untersuchung der Strömungsvorgänge im Spalt (zum Beispiel über Schatten- und Schlierenfotografie).
     

Technische Daten:


Eigene Veröffentlichungen zum Thema (Auswahl):

Schreiner, F., Paepenmöller S. & Skoda, R. (2020). 3D flow simulations and pressure measurements for the evaluation of cavitation dynamics and flow aggressiveness in ultrasonic erosion devices with varying gap widths. Ultrasonics Sonochemistry, 67, 105091. DOI: 10.1016/j.ultsonch.2020.105091

Paepenmöller, S.A., Kuhlmann, J., Blume, M. & Skoda, R. (2018). Assessment of flow aggressiveness at an ultrasonic horn cavitation erosion test device by PVDF pressure measurements and 3D flow simulations. Proceedings of the 10th International Symposium on Cavitation (CAV2018), J. Katz (editor). ASME, New York, 6 pp. DOI: 10.1115/1.861851_ch23
 


Abbildung 1: Sonotrodenprüfstand mit optischer Messtechnik: (1) gepulster Laser, (2) Diffusor, (3) Doppelbildkamera, (4) Sonotrode, (5) optischer Tisch.
Lupe
Abbildung 1: Sonotrodenprüfstand mit optischer Messtechnik: (1) gepulster Laser, (2) Diffusor, (3) Doppelbildkamera, (4) Sonotrode, (5) optischer Tisch.
Abbildung 2: Schematische Darstellung der Sonotrode (a), erodierte Oberflächen des oszillierenden Prüfkörpers und der stationären Gegenprobe (b, d) und Durchlichtaufnahme des Spalts (c).
Abbildung 2: Schematische Darstellung der Sonotrode (a), erodierte Oberflächen des oszillierenden Prüfkörpers und der stationären Gegenprobe (b, d) und Durchlichtaufnahme des Spalts (c).