Experimentelle Untersuchung und Weiterentwicklung der Maßstabseffekte und des Erosionsmodells der Strömungskavitationserosion
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Strömungskavitation und die damit verbundene Kavitationserosion stellen technisch bedeutende Phänomene dar, die bis dato nur unzureichend verstanden und prognostizierbar sind. In einem Vorgängerprojekt wurden grundlegende Zusammenhänge zwischen Erosionswirkung und Strömungsparametern offengelegt. Zwischenzeitlich entwickelte Modellansätze postulieren Zusammenhänge zwischen der Dynamik der Kavitationswolken und dem Erosionsgeschehen. Im Rahmen des Projektes wurde die Anwendbarkeit des Ansatzes für die gegebene Strömungsbeziehungsweise Kavitationssituation überprüft. Hierzu wurden die Kavitationswolken in der Scherschichtzone eines prismatischen Störkörpers endlicher Höhe mittels Hochgeschwindigkeitskameras untersucht. Durch simultane und synchronisierte Aufnahmen verschiedener Perspektiven konnten die Kavitationswolken in Entstehung, Bewegung und Kollaps mit geeigneter räumlicher und zeitlicher Auflösung aufgezeichnet und Wolkenvolumen sowie ihre Größenfluktuationen abgeleitet werden. Ebenfalls wurden die auftretenden Druckwellen erfasst und mittels einer eigens entwickelten interferenzmikroskopisch-basierten Messtechnik die Einwirkungen des Kavitationsphänomens auf Probekörper untersucht. Die umfangreichen Datensätze zeigen eine hohe Komplexität der spezifischen Kavitationsabläufe, insbesondere der Kavitationswolkendynamik. Mit Blick auf die Abhängigkeit der Resultate von der Kavitationszahl konnten für die Wolkendynamik und die Druckwellen positive Korrelationen mit den Erosionsraten hergestellt werden, wobei ein lokales Maximum der Parameter bei einer Kavitationszahl von 1,5 vorliegt. Dies deckt sich mit den Annahmen des Erosionsmodells und kann durch die entsprechenden physikalischen Einflüsse auf die Schädigungsprozesse erklärt werden. Hinsichtlich des Einflusses der Anströmgeschwindigkeit zeigten die Messwerte grundsätzlich Korrelationen mit der transienten Wirbeldynamik. Dagegen war jedoch kein Einfluss der Strömungsgeschwindigkeit auf die Parameter entsprechend dem Zusammenhang mit dem Verhalten der Kavitationserosionsraten gegeben. Bezüglich des Geschwindigkeitsmaßstabseffektes der Kavitationserosion konnten die Annahmen des Erosionsmodells für das zugrundeliegende Experiment somit nicht bestätigt werden. Die ursächlichen Zusammenhänge für den Geschwindigkeitsmaßstabseffekt der Kavitationserosion sind im vorliegenden Fall nicht durch die Wolkendynamik und damit verbundene Druckwellen zu erklären, und insofern in den mikroskopischen Schädigungsprozessen anzusiedeln. Für die weitere Erforschung der Zusammenhänge liefert das abgeschlossene Projekt entsprechende Hinweise.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Cavitation erosion - scale effect and model investigations, 2015 J. Phys.: Conf. Ser. 656 012047
F. Geiger and P. Rutschmann
