Beteiligte Wissenschaftler

Dr.-Ing. Ebrahim Kadivar
Prof. Dr.-Ing. Bettar Ould el Moctar

Projektbeschreibung

Kavitation bezeichnet die Druck-induzierte Entstehung und den Kollaps dampfförmiger Gebiete in Flüssigkeitsströmungen. Sie wirkt sich meist negativ auf den Betrieb und die Leistungsfähigkeit von Schiffspropellern und -rudern sowie hydraulischen Maschinenkomponenten wie Pumpen und Turbinen aus und kann mechanische Schäden, in Form von Erosion, an den Strukturoberflächen dieser Komponenten verursachen. Die Kollapsdynamik einer Kavitationsblase nahe einer festen Oberfläche ist eines der wichtigen Themen in der Turbomaschinen- und Schiffstechnik, die von verschiedenen Forschern untersucht wurden. Die kavitationsinduzierte Erosion weist verschiedene komplexe Mechanismen auf und lässt sich in verschiedene Phasen einteilen. Häufig ist eine Rückströmung, der sogenannte „re-entrant jet“, dafür verantwortlich, dass sich große Kavitationsgebiete von Strukturoberflächen ablösen. Diese Kavitationsgebiete werden als Wolkenkavitation bezeichnet. Weiter stromabwärts, in Bereichen höheren Fluiddruckes, kollabieren diese Kavitationswolken, so dass Stoßwellen hoher Druckamplituden emittiert werden.

In der Nähe einer festen Wand, können diese Stoßwellen Kollapse einzelner Kavitationsblasen aktivieren, die in Folge dessen die Oberfläche des Körpers beschädigen können. Abbildung 1 stellt ein typisches Beispiel für die Dynamik von Wolkenkavitation anhand der Umströmung eines Tragflügels dar. In diesem Fall sorgen die von der Wolkenkavitation emittierten Druckwellen dafür, dass stromabwärts, nahe der Hinterkante des Tragflügels, einzelne Kavitationsblasen kollabieren. Durch diese Einzelblasenkollapse kann entweder durch auf die Strukturoberfläche gerichtete Wasserstrahlen hoher Geschwindigkeit, auch als „Microjets“ bezeichnet, oder durch die ebenso von den Blasen emittierten Stoßwellen Erosion erzeugt werden. Abbildung 2 zeigt die schematische Darstellung verschiedener Phasen der Blasenkollapsdynamik, die bei den meisten Kollapsprozessen einer einzelnen Blase nahe einer festen Wand beobachtet werden können. In Abb. 2 (a) erreicht die Einzelblase zu Beginn des Kollapses ihre maximale Größe mit dem maximalen Radius, R_max. Der Kollaps der Blase ist in Wandnähe asymmetrisch, da die Strömung zur Blase hin von der Wand selbst behindert wird. Es kommt dadurch zu einer höheren Geschwindigkeit der oberen Blasengrenze, die weiter von der Wand entfernt ist, so dass sich ein Microjet ausbildet, siehe Fig. 2 (b) und (c). Der Microjet trifft anschließend mit hoher Geschwindigkeit von mehreren hundert Metern pro Sekunde auf die feste Oberfläche und verursacht dort einen Stoß, der mit Wanddrücken von mehreren Gigapascal einhergehen und plastische Verformungen sowie Materialabtrag an der Struktur herbeiführen kann, siehe Abb. 2 (d) und (e). Die Strömung des Microjets durch die Blase formt diese zu einem Torus, siehe Abb. 2 (e), dessen folgender Kollaps die Wand ebenso schädigen kann, siehe Abb. 2 (f). Anschließend erfolgt eine radial nach außen gerichtete Strömung entlang der Festkörperoberfläche. Infolge der Stoßvorgänge an der festen Wand, kann es in den Zugphasen der Druckwellen erneut zur Unterschreitung des Dampfdruckes kommen, so dass ein Torus-förmiges Gebiet aus noch kleineren Kavitationsblasen anwächst und ebenso wieder kollabiert.

Die meisten Untersuchungen konzentrieren sich bisher auf die Dynamik von Einzelblasen fern einer Oberfläche oder aber in der Nähe einer planaren, festen Wand. Derzeit fehlen deshalb Studien, die sich mit der Dynamik einer einzelnen Blase in der Nähe verschiedener starrer und flexibler Grenzen befassen. In dieser Hinsicht ist die Erfassung detaillierter experimenteller Daten ein wichtiges Thema, um den Kollaps von Kavitationsblasen in der Nähe verschiedener fester und flexibler Oberflächen in schiffstechnischen und anderen hydraulischen Anlagen zu kontrollieren. Ziel dieses Projekts ist es, die Auswirkungen unterschiedlicher starrer und flexibler Grenzen auf die Dynamik einer laserinduzierten Kavitationsblase zu untersuchen.

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Abb. 1: Schematische Darstellung beispielhafter Kavitationsdynamik, bestehend aus Wachstum und Kollaps von Wolkenkavitation, an einem Tragflügelprofil. Zu erkennen sind der Kollaps der großskaligen Wolkenkavitation und dadurch entstehende Emission von Druckwellen sowie der Kollaps wandnaher Einzelblasen und der Entstehung von Microjets.
 

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Abb. 2: Kollaps einer einzelnen Kavitationsblase in der Nähe einer festen Wand. a) Einzelblase bei maximaler Größe zu Beginn des Kollapses. b) Entstehung der asymmetrischen Blasenform. c) Erzeugung eines Microjets, der die Blase durchströmt. d) Der Microjet hat die Blase durchstoßen und trifft auf die ruhende Flüssigkeit zwischen Blase und fester Oberfläche. e) Der Microjet erzeugt einen Stoß an der festen Wand und überführt die Blase in eine Torusform. Die Flüssigkeit strömt radial auswärts entlang der festen Oberfläche. f) Kollaps der torusförmigen Blase und Emission von Stoßwellen.
 

Beispielergebnisse

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Fig. 3: Hochgeschwindigkeits-Aufnahmen der Dynamik während des Kollapes einer einzelnen Kavitationsblase nahe einer polierten Oberfläche aus a) Philipp and Lauterborn, 1998 (Referenzversuch), b) Aktuelle Experimente der Gruppe. Der relative Wandabstand beträgt in beiden Fällen γ= 0.6. Die Dynamik der Blasenkollapse wurde bei einer Bildfrequenz von 56.5 kHz im Referenzversuch und einer Frequenz von 20 kHz im aktuellen Versuch der Gruppe aufgenommen.
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​​Veröffentlichungen

• Kadivar, E. and el Moctar, O.
  “Experimental study of the dynamics of a laser-induced cavitation bubble”,
  In preparation 2021.