Messung und Modellierung von Oberflächenerosion in akustischer Kavitation

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Gunther Brenner; Dr. Robert Mettin
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Verfahrenstechnik ; Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 251713382

• Erstellungsjahr: 2024

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Bei einer wachsenden Zahl von Anwendungen der akustischen Kavitation in der Verfahrenstechnik kommen nicht-wässrige Systeme zum Einsatz. Ein großer Teil der verwendeten Flüssigkeiten weist eine höhere Viskosität als Wasser auf, z.B. wichtige Säuren, Öle, ionische Flüssigkeiten oder Flüssigkeiten aus der Lebensmittelindustrie. Akustische Kavitationsstrukturen und Blasendynamik in solchen höher viskösen Flüssigkeiten sind in der Literatur noch weitgehend unerforscht. Das Ziel des Projektes ist es, Kavitationsstrukturen und Blasendynamik in solchen Flüssigkeiten mit experimentellen Methoden zu untersuchen und die Modellierung substantiell weiter zu entwickeln. Als konkretes Anwendungsbeispiel wird die durch Kavitation verursachte Erosion fester Materialien untersucht. Kavitation wird hier als ergänzende Methode zur chemischen Abtragung eingesetzt. Für letztere wird Schwefelsäure verwendet, die für ihre hohe Viskosität bekannt ist. Bei der akustischen Kavitation wachsen die Kavitationsblasen stark an, kollabieren und schwingen nach. Die Dynamik der Blasen und die auf sie wirkenden Kräfte werden durch die Viskosität beeinflusst, die wiederum den Transport und die Verteilung der Blasen beeinflusst. Durch das Eintauchen von zahlreichen Festkörpern in die Flüssigkeit nimmt die spezifische Oberfläche (Verhältnis Oberfläche/Volumen) zu, wie das auch für poröse Medien typisch ist. Aus diesem Grund wird der Modellierung der oberflächennahen Mechanismen durch die Bjerknes-Kräfte vertieft untersucht. Auf experimentellem Wege wird die Schallausbreitung und Erosion in regelmäßigen Packungen aus Festkörpern untersucht. Die Arbeiten in der zweiten Bewilligungsphase (d.h. nach 2018) wurden in vier namhaften und qualitätsgesicherten Journalen publiziert. Wie viele andere Vorhaben wurde auch dieses Projekt pandemiebedingt verzögert, da Laboratorien und Arbeitsplätze längerfristig nicht genutzt werden konnten. Positiv ist anzumerken, dass in dieser Zeit die Nutzung von digitalen Kommunikationswegen zur Selbstverständlichkeit wurde. Dies hat in diesem Projekt in der Folgezeit die Kommunikation zwischen den ortsverteilt arbeitenden Arbeitsgruppen tatsächlich erleichtert.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Auflösung der Blasengrößenverteilung nach Phasenlage in akustischer Kavitation, DAGA 42. Jahrestagung für Akustik, 14.-17. März 2016
  Ayaz-Bustami, K.; Eisener, J.; Mettin, R.; Lesnik, S. & Brenner, G.
  
• Modeling of Acoustic Cavitation with Euler-Lagrange Ansatz, Kavitations-Workshop, Duisburg, 2016
  Lesnik, S. & Brenner, G.
  
• Modeling of Non-linear Damping in Acoustic Cavitation, GAMM Jahrestagung, 2016
  Lesnik, S. & Brenner, G.
  
• Modellierung der akustischen Kavitation mithilfe des Euler-Lagrange Ansatzes, DAGA 42. Jahrestagung für Akustik, 14.-17. März 2016
  Lesnik, S.; Brenner, G.; Ayaz-Bustami, K. & Mettin, R.
  
• Berechnung der akustischen Kavitation mittels der Einzelpartikelverfolgung, ProcessNet 16.-17.03.2017
  Lesnik, S. & Brenner, G.
  
• Modellierung der Erosion in einem Ultraschall-Reaktor zur Wertmetallrückgewinnung, 43. Jahrestagung für Akustik, 06.-09. März 2017
  Lesnik, S. & Brenner, G.
  
• Study of Ultrasound Propagation and Cavitation Activity in a Packing Bed of Spherical Particles. Chemie Ingenieur Technik, 89(10), 1379-1384.
  Lesnik, Sergey; Mettin, Robert & Brenner, Gunther
  
• Bubble size measurements in different acoustic cavitation structures: Filaments, clusters, and the acoustically cavitated jet. Ultrasonics Sonochemistry, 55(2019, 7), 383-394.
  Reuter, Fabian; Lesnik, Sergey; Ayaz-Bustami, Khadija; Brenner, Gunther & Mettin, Robert
  
• Bubble structures and sonoluminescence in viscous liquids. In: H. Waubke, P. Balazs (Eds.): Fortschritte der Akustik - DAGA 2021 Wien, Deutsche Gesellschaft für Akustik e.V. (DEGA), Berlin, 2021, pp. 615-618 [ISBN: 978-3-939296-18-8 ]
  Aghelmaleki, A.; Lesnik, S.; Afarideh, H.; Brenner, G. & Mettin, R.
  
• A Macroscopic Multi-physics Approach for Modeling Acoustically Cavitating Flows. Dissertation, Clausthal University, 2022
  Lesnik, S.
  
• Modeling acoustic cavitation with inhomogeneous polydisperse bubble population on a large scale. Ultrasonics Sonochemistry, 89(2022, 9), 106060.
  Lesnik, Sergey; Aghelmaleki, Atiyeh; Mettin, Robert & Brenner, Gunther
  
• The collapse of a sonoluminescent cavitation bubble imaged with X-ray free-electron laser pulses. New Journal of Physics, 26(3), 033002.
  Hoeppe, Hannes P; Osterhoff, Markus; Aghel Maleki, Atiyeh; Rosselló, Juan M; Vassholz, Malte; Hagemann, Johannes; Engler, Thea; Schwarz, Daniel; Rodriguez-Fernandez, Angel; Boesenberg, Ulrike; Möller, Johannes; Shayduk, Roman; Hallmann, Jörg; Madsen, Anders; Mettin, Robert & Salditt, Tim