Experimentelle und numerische Untersuchung des Strömungsprozesses von Hochdruckwasserstrahlen und ihrer Interaktion mit Bauteiloberflächen
Konstruktion, Maschinenelemente, Produktentwicklung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Ziel des Forschungsvorhabens war die experimentelle und simulative Untersuchung der Strömungsprozesse von Hochdruckwasserstrahlen (HDWS) und ihrer Interaktion mit Bauteiloberflächen. Zur experimentellen Untersuchung wurden diverse Probenkörper u. a. aus AlCu4MgSi, 42CrMo4 und X15CrNiSi25-21 hergestellt, deren Oberfläche mit Hilfe von HDWS mit einer definierten Oberflächenrauigkeit versehen und mit Hilfe eines Konfokal-Mikroskops vermessen und digitalisiert wurden. Aufgrund der Ergebnisse der Vorversuche wurden alle Folgeversuche im Projekt mit AlCu4MgSi durchgeführt. Aus den ermittelten Punktewolken wurden im Nachgang STL-Netze abgeleitet und mittels „Non-Uniform Rational B-Spline“ (NURBS)-Patches bzw. Spline-Kurven CAD-Geometrien der Oberfläche erstellt. Die Digitalisierung der verwendeten HDWS-Düsen erfolgte mittels µ-CT Scan. Dabei liefert die Aufnahme der 500 µm Düse sehr gute Ergebnisse. Bei der 80 µm Düse hat sich die Auflösung des µ-CT als nicht ausreichend genug erwiesen, um die Geometrie detailliert zu ermitteln. Die experimentellen und numerischen Untersuchungen umfassten sowohl die HDWS Düse als auch den Einzeltropfenschlag auf eine Oberfläche. Zur Untersuchung des freien HDWS und dessen Zerfall wurde die Technik der Kurzzeitfotographie eingesetzt. Dabei konnten viele Phänomene des Wasserstrahls und dessen Aufbau ermittelt werden. Der Einsatz einer Hochgeschwindigkeitskamera erwies sich als nicht zielführend, da die Strömungsgeschwindigkeit des Wasserstrahles zu hoch ist, um verwertbare Aufnahmen zu erzeugen. Weiterhin wurde der Einfluss des Strahlrichters in der verwendeten 500 µm Düse untersucht. Dabei konnte der Einfluss auf die Zerstäubung qualitativ erfasst werden. Die Düsenströmung, die Flüssigkeitsstrahlausbildung und der Strahlzerfall wurden numerisch simuliert. Die mit der Simulation gewonnen Kenntnisse über die Strömung in der Düse sind von großer Bedeutung, weil sie den Strahlzerfall erklären. Mit der Verkleinerung des Strömungsraumes konnte auch der Wasserstrahl nach dem Düsenausgang mit der Volume of Fluid Methode simuliert werden. Weiterhin wurde die Kavitation in der Düse mittels zwei Phasen CFD-Modell beschrieben. Die Kavitationserscheinungen sind bei den konvergenten Düsen als negativ zu beurteilen, wenn sie so stark ausgeprägt sind, dass sie den Düsenausgang erreichen. Dort führt der Kollaps der Dampfblasen zu einer stärkeren Zerstäubung des Wasserstrahls, was bei dieser Art der Düse nicht erwünscht ist. Außerdem wurden die Wandschubspannungen mit der Simulation ermittelt. Diese liefern Kenntnisse über den Verschleiß der Düsen. Die Simulationsergebnisse zeigten weiterhin einen positiven Einfluss des verwendeten Strahlrichters auf die Stabilität des Wasserstrahls. In zukünftigen Studien soll die Erhöhung der Wasserstrahlstabilität durch eine Variation des Strahlrichters untersucht werden. Im Rahmen der Analyse des Einzeltropfenschlags wurde eine Apparatur zur Erzeugung eines breiten Spektrums an Einzeltropfen konstruiert. Mit deren Hilfe wurde der Aufprall von Einzeltropfen auf unterschiedliche Oberflächen untersucht. Die Aufnahmen erfolgten ebenfalls mittels Kurzzeitfotografie. Dabei zeigen sich auch quantitativ große Einflüsse der Morphologie der mit HDWS-bearbeiteten Oberflächen auf die Phänomene des Tropfenaufpralls. Parallel dazu wurde der Einzeltropfenaufprall auch numerisch simuliert. Dabei wurde der Aufprall auf konkav und konvex gekrümmte Oberflächen, wie auch auf reale Oberflächenprofile der HDWS-gestrahlten Proben untersucht. Dabei hat sich gezeigt, dass eine konkave Krümmung zur Reduktion des Kontaktwinkels führt, wodurch der kritische Kontaktwinkel später erreicht wird, was schlussendlich in einem höheren maximalen Druck resultiert. Eine konvexe Krümmung führt zum gegenteiligen Ergebnis. Ein raues Oberflächenprofil erzeugt während der Tropfenausbreitung lokale Druckerhöhungen, da das Wasser an einzelnen Erhebungen aufgestaut wird. Zusammengefasst bestätigen die experimentellen Ergebnisse die durchgeführten Simulationen und liefern im Rahmen des Forschungsprojektes vielfältige Kenntnisse über die Wirkweise von HDWS und den Tropfenaufprall.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Experimental and numerical study of a high-pressure waterjet. 29th Conference on Liquid Atomization and Spray Systems (ILASS-Europe), Paris (Frankreich), 2019
Urazmetov, O.; Cadet, M.; Teutsch, R.; Schindler, C.; Antonyuk, S.
- Numerical simulation of a waterjet with primary breakup. International Congress on Particle Technology, Nürnberg, 2019 - 2019
Urazmetov, O.; Cadet, M.; Teutsch, R.; Schindler, C.; Antonyuk, S.
- Oberflächenbearbeitung mittels Hochdruckwasserstrahlen – Eine Alternative zu konventionellen Bearbeitungsverfahren. In: Konstruktion (Fachteil Ingenieurwerkstoffe), 71 (2019) 9, S. IW8-IW10
Teutsch, R.; Cadet, M.; Schindler, C.; Antonyuk, S.; Urazmetov, O.
