Solution and Release of Air in Hydraulic Fluids
Engineering Design, Machine Elements, Product Development
Final Report Abstract
Hydraulikflüssigkeiten bilden einen unverzichtbaren Bestandteil von fluidtechnischen Systemen. Das oft beobachtete Problem der Entstehung und des Anwachsens von Gasblasen innerhalb von Hydraulikflüssigkeiten ist nur unzureichend verstanden. Ein besseres Verständnis kann nur durch analytische und numerische Betrachtungen gewonnen werden. Daher sollte im Projekt ein vorhandenes Simulationsmodell der Blasendynamik erweitert werden, um Diffusion am Blasenrand abzubilden und Faktoren zu bestimmen, die das Blasenwachstum begünstigen. Zudem sollte das Lösevermögen und Diffusionsverhalten von Luft in Hydraulikflüssigkeiten untersucht werden. Im Laufe des Projekts wurde festgestellt, dass die im Hydraulikbereich üblichen Annahmen zum Bunsen- und Diffusionskoeffizienten von Luft bei hohen Drücken nicht zutreffen: 1. Bunsenkoeffizienten von Luft sind bei hohen Drücken aufgrund der unterschiedlichen Mengen an gelöstem Stickstoff und Sauerstoff nicht sinnvoll, weshalb die Koeffizienten einzeln bestimmt werden müssen. 2. Diffusionskoeffizienten von in Lösung gegangenen Gasgemischen (Luft) sind physikalisch nicht definiert. Diffusionskoeffizienten müssen für die reinen Gase ermittelt werden, um den Diffusionsprozess zu beschreiben. Mit diesen Erkenntnissen wurde der Bunsen- und Diffusionskoeffizient für das Stoffsystem HLP46-Stickstoff ermittelt. Der Bunsenkoeffizient weist eine starke Druck- und Temperaturabhängigkeit auf, was im Widerspruch zum jetzigen Stand der Technik steht. Der Diffusionskoeffizient wurde im Bereich von 150 bar bei 25°C bestimmt. Dieser liegt in der Größenordnung der Werte für das vergleichbare Stoffsystem Stickstoff-Bitumen, allerdings waren direkt vergleichbare Daten für das Stoffsystem HLP46-Stickstoff nicht aufzufinden. Aufgrund der inhärenten Explosionsgefahr sind Messungen mit Sauerstoff höchst gefährlich. Dies führte zur Entwicklung zweier Messmethoden (eine für den Bunsenkoeffizienten und eine für den Diffusionskoeffizienten), mit denen sich die Größen aus Messwerten für Luft bestimmen lassen. Leider reichte die Projektlaufzeit nicht aus, um diese zu erproben, jedoch wurden die theoretischen Grundlagen soweit ausgearbeitet, dass dies in Zukunft ermöglicht wird. Abweichend von der im Antrag vorgesehenen Erweiterung eines vorhandenen Simulationsmodells, wurde im Rahmen der Simulationsentwicklung ein neuartiges Finite-Volumen-Verfahren entwickelt, das in der Lage ist ein Riemann-Problem an einer Phasengrenze zu lösen. Dieser Schritt war aufgrund des Mangels von Standardmethoden für kompressible Mehrphasenströmungen und wegen der unterschiedlichen Energiegleichungen der beiden Phasen unabdingbar. Das neue Verfahren ermöglicht eine numerische Kopplung der Gas- und Flüssigphase und somit die exakte Abbildung der Phasengrenze, jedoch reichte die Projektlaufzeit nicht aus, um alle notwendigen numerischen Methoden und Verfahren zu implementieren und um das Modell zu erproben und zu validieren. Jedoch ist die theoretische und simulationstechnische Grundlage entstanden, sodass in Zukunft die Implementierung, Erprobung und Nutzung der Methode ermöglicht wird.
Publications
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“Method for the experimental determination of the Bunsen absorption coefficient of hydraulic fluids”, ASME/BATH 2019 Symposium on Fluid Power and Motion Control, FPMC2019, 07.10.2019-09.10.2019, Sarasota, USA, 2019
Rambaks, A.; Schmitz, K.
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“A multiphase, Riemann-solver approach to gas-cavitation”, Special Collection of Selected Papers, 5th Thermal and Fluids Engineering Conference (TFEC 2020), 2020, S. 503-516
Rambaks, A.; Murrenhoff, H.; Schmitz, K.
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“Computational approach to the experimental determination of diffusion coefficients for oxygen and nitrogen in hydraulic fluids using the pressure-decay method”, The 12th International Fluid Power Conference, 12. IFK, 12.10.2020-14.10.2020, Dresden, Germany, 2020
Rambaks, A.; Kratschun, F.; Flake, C.; Messirek, M.; Murrenhoff, H.; Schmitz, K.
