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Kavitation, Kavitationserosion und Blasendynamik

Kavitation ist aufgrund der i.d.R. schädlichen Wirkung (Erosion, Einbruch der Förderung, starke Druckfluktuation, Geräusch) ein wichtiges und gleichzeitig unzureichend verstandenes Phänomen. Bei der Modellierung kavitierender Strömungen werden auf der einen Seite blasendynamische Modelle verwendet, die Einzelblasen oder Cluster von interagierenden Einzelblasen betrachten und auf der Rayleigh-Plesset-Gleichung beruhen. Auf der anderen Seite werden CFD-Methoden verwendet, die eine homogene Mischung in jeder Zelle annehmen und entweder mit einem thermodynamischen (kompressible Verfahren, thermodynamisches Gleichgewicht) oder einem vereinfachten blasendynamischen Kavitationsmodell (Volumenfraktionstransportgleichung mit Quell-/Senkenterm basierend z.B. auf der Rayleigh-Gleichung) verknüpft werden. Bei ausreichender räumlicher Auflösung werden CFD-Verfahren zunehmend auch zur detaillierten 3D-Abbildung von Einzelblasen eingesetzt. Die Phasengrenze und der Massen- und Wärmeübergang kann dabei im Gleichgeweicht oder Nicht-Gleichgewicht modelliert werden.

Bei der Entwicklung von CFD-Methoden für kavitierende Strömungen werden am HSM kompressible Verfahren weiterentwickelt, die die Druckwellendynamik ausreichend genau abbilden, da nur mit diesen Verfahren die Erosion genau vorausberechnet werden kann. Kompressible Verfahren werden zusammen mit einer Zustandsgleichung verwendet. Aktuelle Weiterentwicklungen zielen auf die Erweiterung kompressibler Verfahren um die Blasendynamik, wie sie in vereinfachter Form (z.B. basierend auf der Rayleigh-Gleichung) zur Bestimmung des Quell- und Senkenterms von Volumenfraktionstransportgleichungen bereits verwendet wird. Aufgrund der hohen zeitlichen und räumlichen Auflösung und des enormen Rechenaufwands werden effiziente, z.B. implizite Rechenverfahren weiterentwickelt, die die Anwendung neuer Kavitationsmodelle auch auf reale Strömungen in hydraulischen Maschinen mit ausreichender Genauigkeit erlauben.
Ein weiterer Schwerpunkt liegt auf dem bisher kaum erforschten Gebiet der Kavitation in komplexen Fluiden, z.B. praktisch relevanten Fluidgemischen wie Kraftstoffen und Hydraulikölen, die sich z.T. erheblich anders verhalten als Wasser.

Laufende Projekte

 

Mehrkomponenten-Kavitationsmodellierung zur numerischen Strömungssimulation realer Fluidgemische in hydraulischen Systemen.

Numerische Vorhersage von Kavitationserosion in Pumpen.

  • Finanzierung: AIF-IGF.
  • Partner:
    • TU Darmstadt, Inst. f. Fluidsystemtechnik (Prof. Pelz),
    • VDMA Fachverband Pumpen und Systeme.
  • Ansprechpartner: Magnus Haese

Numerische Vorhersage des zeitlichen Verlaufs kavitationsbedingter Erosionsschäden an Schiffspropulsions- und –manövrierorganen: Kav4D.

  • Finanzierung: BMWi.
  • Partner:
    • Univ. Duisburg-Essen, Inst. f. Schiffstechnik, Meerestechnik und Transportsysteme (Prof. el Moctar),
    • J.M. Voith SE & Co. KG,
    • Mecklenburger Metallguss GmbH – MMG.
  • Ansprechpartner: Felix Schreiner

Abgeschlossene Projekte

Vorhersage von Kavitationserosion in Dieselinjektoren für Schiffsmotoren.

3D Simulation der akustischen Kavitation und der Kavitationserosion in Sonotroden.

  • Finanzierung: NRW.
  • Partner: RUB, Lst. f. Werkstofftechnik (Prof. Theisen).
  • Ansprechpartner: Felix Schreiner

Einzelblasenmodellierung mit Luftausgasung.

Einfluss der thermophysikalischen Eigenschaften von Fluidgemischen auf Kavitation und Kavitationserosion.

Entwicklung von CFD-Verfahren für die Simulation kavitierender Strömungen in hydraulischen Strömungsmaschinen.

Einfluss des gelösten Luftgehaltes auf die Zwangsentgasung bei der Kavitation.

  • Finanzierung: NRW.
  • Partner: RUB, Lst. f. Feststoffverfahrenstechnik (Prof. Petermann).
  • Ansprechpartner: Romuald Skoda
Kavitierende Strömung um ein Hydrofoil bei σ = 2.5
Lupe
Kavitierende Strömung um ein Hydrofoil bei σ = 2.5

Kavitationserosion an einem Sonotrodenkopf: Vergleich Experiment & Simulation
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Kavitationserosion an einem Sonotrodenkopf: Vergleich Experiment & Simulation

Druckwellenausbreitung (Konturplot) sowie Dampfwolkenstruktur (Iso-Flächen) in einem Spalt zwischen Sonotrodenkopf und Gegenprobe in einer Schnittansicht
Lupe
Druckwellenausbreitung (Konturplot) sowie Dampfwolkenstruktur (Iso-Flächen) in einem Spalt zwischen Sonotrodenkopf und Gegenprobe in einer Schnittansicht

Durchlichtaufnahmen der Kavitationsströmung unterhalb eines Ultraschallhorns in Wasser. Links Rohbild; Rechts: Markierte Blasenmittelpunkte
Lupe
Durchlichtaufnahmen der Kavitationsströmung unterhalb eines Ultraschallhorns in Wasser. Links Rohbild; Rechts: Markierte Blasenmittelpunkte