Kavitation

1. Kavitation Corinna Damm, 30 21 66 28 Sarah Dickel, 30 23 38 34

2. Gliederung • Entstehung von Kavitation • Definition • Bernoullische Gleichung • Kavitationszahl • Hydrodynamische Ursachen • Sättigungsdampfdruckkurven/ Abgrenzung zu Sieden • Beginn der Kavitation und Einflussfaktoren • Formen der fortgeschrittenen Kavitation • Wolken- und Schichtkavitation • Kavitationskeime • Blasenkollaps • Energieumwandlung bei Kavitation • Schäden durch Kavitation • Erosive Kavitation • Stellen mit erhöhter Kavitationsgefahr • Verhinderung von Schäden • Anwendung in Technik, Medizin und Zoologie

3. Definition • von lat. „cavitare“ = „aushöhlen“ • Bildung und schlagartiges Zusammenfallen bzw. Auflösen von dampfgefüllten Hohlräumen (= cavitites) in strömenden Flüssigkeiten • Durch hydrodynamische Druckabsenkung (in Verbindung mit Bewegung) kommt es zu einer Phasenänderung von flüssig nach gasförmig (=VERDAMPFUNG),die örtlich begrenzt ist. Die entstandenen dampfgefüllten Hohlräume werden von der Strömung mitgenommen und fallen implosionsartig (d.h. die Kräfte sind auf das Zentrum gerichtet, sodass das Objekt in sich selbst zusammenbricht: bei der Kavitation ist der umgebende Wasserdruck dann größer als der Innendruck) zusammen, wenn der Druck den Dampfdruck wieder übersteigt (=RÜCKKONDENSATION).

4. Bernoullische Gleichung (1) [Bild: WBW]

5. Bernoullische Gleichung (2) • „Definitionsskizze für Kavitation“ • Längs 1-2 erfolgt Beschleunigung der Strömung, damit Erniedrigung des Druckes • An Punkt 2 entspricht der Druck dem Luftdruck • Durch die Strömung werden die Dampfblasen fortgetragen und gelangen in Schnitt 5 wieder in Gebiete höheren Druckes, sodass die Dampfblasen zerfallen (kondensieren) • Bernoullische Energiegleichung:

6. Kavitationszahl

7. Hydrodynamische Ursachen von Kavitation

8. Innenströmung

9. Dampfdruckkurve von Wasser [Bild: Ludwig]

10. Kavitationsbeginn (1) Kavitationsbeginn zu ermitteln ist wichtig für: • Optimierung von Maschinen, Bauteilen • Nachweis, dass (keine) Kavitation bei bestimmtem Bauteil stattfindet

11. Kavitationsbeginn (2) • Kavitationsversuche: • Geometrie und Strömung konstant • Druck variieren, um Kavitationsbeginn festzustellen und Einflüsse darauf

12. Einfluss auf Kavitationsbeginn (1) • Generell Reibung →Druckabfall →Kavitationsgefahr • Reibung = Verlusthöhe, dadurch werden die anderen Höhen, also auch die Druckhöhe geringer [Bild: GL VL WaWi]

13. Einfluss auf Kavitationsbeginn (2) • Strömungsablösung: • wenn Profil so schräg zur Strömung, dass Fluid nicht mehr entlang des Profils strömen kann • hinter Profil: Totzone • im Grenzbereich zwischen Totzone und Strömung: Wirbel • Kavitation in Wirbeln Bild: Ludwig

14. Einfluss auf Kavitationsbeginn (3) • Wandrauhigkeit mikroskopisch klein → auch Strömungsablösung → Kavitation • Wirkdauer des Sättigungsdampfdrucks in der Flüssigkeit, damit Blasen Zeit haben, sich auszubilden und groß genug werden. [Bild: Ludwig]

15. Einfluss auf Kavitationsbeginn (4) • Reynoldszahl • generell: hohe Re → Turbulenzen: • Geschwindigkeit und Druck sind nicht überall gleich groß • Druck unterschreitet an verschiedenen Stellen Sättigungsdampfdruck, obwohl Durchschnittsdruck höher. • → nicht nur mittleren Druck beachten, sondern Schwankung mitbeachten!! • Turbulenzgrad = Größe der Schwankungen [Bild: Ludwig]

16. Einfluss auf Kavitationsbeginn (5) • Reynoldszahl • je größer Anströmgeschwindigkeit, desto stärker die Kavitationseffekte • stärkere Kavitationseffekte bei größeren Körpern (=Hindernisse) → mehr Reibungseffekte • je größer dynamische Viskosität, desto geringer Kavitation, hohe Zähigkeit verlangsamt Blasenwachstum

17. Formen der fortgeschrittenen Kavitation [Ludwig]

18. Schicht- und Wolkenkavitation (1) [Bild: Ludwig]

19. Schicht- und Wolkenkavitation (2) • CLE = CircularLeeding Edge, einfaches Strömungsprofil • Dunkle Gebiete Dampf, helle Gebiete Flüssigkeit • Fixed Cavity: Anhaftendes zusammenhängendes Dampfvolumen, entsteht in abgelösten Strömungen nach Auffüllen des Ablösegebietes mit Dampf • Reentrant- jet: zurückeintretender/ -strömender Strahl, läuft normaler Strömung entgegen, schneidet damit das Ablösegebiet ab, damit entscheidend für Wolkenbildung! • Wolkenkavitation: Blasen- Cluster, Interaktion zwischen den Blasen, geänderte Wachstums- und Implosionsgeschwindigkeit; zB: Cluster- Modell von Kubota und Kato, dazu Modifizierung der Rayleigh- Plesset- Gleichung [Bild: Ludwig]

20. Schicht- und Wolkenkavitation (3) [Foto: Ludwig]

21. Fortgeschrittene Kavitation • Kavitation ist nicht vorhersehbar, auch nur sehr schwer numerisch mit heutigen Methoden (große Rechnerleistung nötig, laufen teilweise Wochen für Berechnungen, für Firmen nicht rentabel) • Fortgeschrittene Kavitation ist unter anderem abhängig von: • Kavitationstyp • Flüssigkeitseigenschaften (Keimspektrum, wichtig für Wirbelkavitation) • Strömungsgeschwindigkeit

22. Kavitationskeime • In der Flüssigkeit befinden sich ungelöste Gase, die meist in Form von frei verteilten Mikroblasen auftreten • Mögliche Arten von Keimen sind freie Gaskeime, Porenkeime an Schwebepartikeln und an Wänden • Der Inhalt der Gase sind Fremdgase (meist Luft) oder Dampf der Flüssigkeit • Diese wirken als Keime, an denen bei beginnender Kavitation die Verdampfung der Flüssigkeit einsetzt • Der Keimgehalt lässt sich direkt durch zB optische Methoden oder indirekt durch Messen der Zugfestigkeit der Flüssigkeit bestimmen • Die Zugfestigkeit ist definiert als die Differenz aus thermodynamischem Dampfdruck und statischem Flüssigkeitsdruck in Dampfnähe • Die Zugfestigkeit wird größer, je kleiner die Kavitationskeime sind und je weniger Keime vorhanden sind; bei vollständiger Abwesenheit kann die Zugfestigkeit sehr große Werte annehmen, bei entsprechend vorbehandelndem Wasser von mehreren bar (bis zu 270 bar), dh: In extrem reinen Flüssigkeiten würde es in technischen Systemen keine Kavitation geben • In der Realität liegen die Werte zwischen null und wenigen bar

23. Blasenkollaps (1) Kollaps einer laserinduzierten Blase [Bild: Physik3]

24. Blasenkollaps (2) „microjet“ Einschnürung durch Kollabieren in Wandnähe, Flüssigkeit kann hier nicht schnell genug nachströmen (Asymmetrie der Blase), Strahl (Microjet) entsteht, der immer rechtwinklig auf die Wand gerichtet ist, dieser verursacht lokal große Belastung, danach Zerfall in kleiner Blasen und rebounds [Bild: Bohl/Elmendorf]

25. Energieumwandlung bei Kavitation

26. Negative Wirkungen der Kavitationsblasen • mechanische Schäden an Bauteilen (Erosion) • Wirkungsgradverminderung von Turbinen und Pumpen, da Kavitationsblasen den Fließquerschnitt verengen • Geräuschentwicklung [Bild:Bosy Online]

27. Wirkungsmechanismen durch erosive Kavitation (1) • In direkter Wandnähe Blasenkollaps der Einzelblasen • -> microjet und Druckwelle • Blasencluster  Summation der Wirkungen der Einzelblasen

28. Wirkungsmechanismen durch erosive Kavitation (2) • Zuerst verändert/ entfernt sich Schutzschicht des Werkstoffs (z.B. Korrosionsschutzschicht) • Entstehung von „pits“: Vereinzelt, nur unter Mikroskop sichtbar • „Pit“ = Erste Schädigungsphase eines Werkstoffs durch microjet • Danach folgen: • Überlagerung von „pits“ • plastisches Ausweichen des Werksstoffs • Bruchvorgänge und Volumenverlust

29. Schäden durch erosive Kavitation Materialschäden unter Mikroskop Schäden, makroskopisch [Bild: Ludwig] [Bild:Korros]

30. Stellen mit erhöhter Kavitationsgefahr • bei hohen Wassertemperaturen • hinter Schiffspropellern • an Turbinen (wegen hoher Geschwindigkeit) • an Pumpen, vor allem Kreiselpumpen • Schussrinnen (wegen hoher Geschwindigkeit) [Bild: Ludwig]

31. Verhinderung von Schäden durch Kavitation • Flüssigkeitstemperatur nicht zu hoch • Pumpe nicht im Leerlauf laufen lassen (→ würde zu hohe Temperaturen erzeugen) • Sohlenbelüftung, Druckerhöhung durch Ansaugen von Luft [Bild: GL VL WaWi] Kavitation nicht komplett verhinderbar, sonst Maschinen unwirtschaftlich groß

32. Anwendungen von Kavitation (Technik) • Durch Kavitation bessere Vermischung von Stoffen in Lebensmittelindustrie • Reinigung von Ballastwasser bei Tankschiffen, Kavitation tötet Mikroorganismen ab • Ultraschallbäder zur Reinigung (z.B. Brillenreinigung...), Kavitation erodiert Schmutzpartikel von der Oberfläche

33. Anwendung Kavitation (Medizin) • Fettreduktion: Durch Ultraschall wird Flüssigkeit in den Fettzellen zum Schwingen angeregt ->Kavitationsblasen, bei Implosion der Blasen, werden Zellmembranen zerstört • Zertrümmerung von Nierensteinen (durch Ultraschall)

34. Anwendung Kavitation (Zoologie) • Knallkrebse können Kavitationsblasen erzeugen, um Gegner oder Beute zu schädigen • Zahn an der Schere sorgt beim Zuklappen der Schere für sehr schnelle Wasserwelle und Kavitationsblase [Bild: Meerwasserlexikon]

35. Quellen • Vorlesung „Kavitation“, TU Darmstadt, WS 2011/12, Dr. Ludwig • Vorlesung „Wasserbauwerke und Fließgewässerhydraulik“, WS 12/13, Prof. Theobald, Universität Kassel, VL4 • http://de.wikipedia.org/wiki/Kavitation • http://www.physik3.gwdg.de/~pkoch/AWG/kavitation.html • info_100201_aifforschungsvorhaben_nr_14865_n1 • http://www.bosy-online.de/Kavitation.htm • http://de.wikipedia.org/wiki/Superkavitation • http://www.mybody.de/kavitation.html • http://de.wikipedia.org/wiki/Knallkrebse Bildquellen • Titelbild: http://www.bous-koeln.de/uploads/tx_templavoila/Ultra_Abb5.jpg • [Ludwig]: Dr. Ludwig, TU Darmstadt, Vorlesung Kavitation, WS 2011/12 • [WBW]: Prof. Theobald, Universität Kassel, FB14, FG Wasserbau und Wasserwirtschaft, Vorlesung „Wasserbauwerke und Fließgewässerhydraulik“, WS 12/13, VL4 • [GL VL WaWi]: Prof. Theobald, Uni Kassel, FB 14, FG: Wasserbau und Wasserwirtschaft,, Vorlesung Grundlagen des Wasserbaus und der Wasserwirtschaft, SS 2012, VL7 • [Meerwasserlexikon]: http://www.meerwasser-lexikon.de/tiere/806_Alpheus_soror.htm • [Physik3]:http://www.physik3.gwdg.de/~pkoch/AWG/kavitation.html • [Bosy Online]: http://www.bosy-online.de/Korrosion/Kavitation-Kreiselpumpe.jpg • [Korros]: http://www.korros.de/Bilder-Kreiselpumpen/kavitation02.jpg

36. Kavitation Sarah Dickel und Corinna Damm