Charakterisierung der Wandschubspannung von Kavitationsblasen

• Antragsteller: Professor Dr. Claus-Dieter Ohl
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung seit 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 428644013

Kavitationsblasen erzeugen im wandnahen Kollapse riesige tangential zur Oberfläche wirkende Kräfte. Die Schnelligkeit und mikroskopische Größe haben bisher deren detaillierte Messung verhindert. Jedoch sind diese Kräfte in vielen chemischen, biomedizinischen und materialtechnischen Prozessen von großer Bedeutung. Beispiele reichen von der Augenchirurgie bis zur Herstellung und Bearbeitung von Siliziumwafern, von der Sterilisation chirurgischer Instrumente bis hin zum maximalen Arbeitsbereich von Turbomaschine. Es ist wichtig hier ein grundlegendes Verständnis dieser Kräfte zu gewinnen, die von der schnellen Blasendynamik an einer Grenzfläche verursacht wird. Die normal zur Grenze wirkenden Druckkräfte sind bereits sehr gut verstanden. Ganz im Gegensatz zu den durch die Viskosität transportierten und tangential zur Oberfläche wirkenden Kräften. Hier wissen wir weder die Größenordnung noch kennen die zeitliche Abfolge. Das wollen wir hier ändern:Dazu kombinieren wir in diesem Antrag numerische Simulation mit Experimenten an Einzelblasen, um die komplexe Strömung, die durch die nicht-sphärisch oszillierenden Blasen erzeugt werden an der Grenze zu entwirren. Insbesondere werden wir die Schubspannung, die raum- und zeitabhängig auf das Substrat wirkt, quantifizieren. Dazu kommen neben flachen auch dekorierte Substrate zum Einsatz. Letztere sind für typische Anwendungen der Kavitation wichtig. Die Gruppe des Antragstellers führte 2008 die ersten Experimente zur Messung der Schubspannung durch (Dijkink et al., Appl. Phys. Lett 2008). Dort zeigten einzelne laserinduzierte Blasen eine untere Grenze der Wandschubspannung von mehreren tausend Kilopascal. Neuere Simulationen aus meiner Gruppe sagen voraus, dass die Wandschubspannung lokal sogar eine Größenordnung höher sein könnte als damals gemessen.Das erste Ziel des vorliegenden Projekts ist es daher, schlüssige experimentell überprüfte Antworten auf die zeitabhängige Größe und Verteilung der Wandschubspannung zu liefern. Das zweites Ziel ist es, die Kräfte, die auf Oberflächen mit Strukturen wirken, zu modellieren und zu messen. Der dritte Teil erweitert die Untersuchungen hin zur akustisch angetriebenen Kavitation, d.h. zu Blasen, die sich oszillierend einer Oberfläche nähern.Die Ergebnisse des Projekts werden sein:1. Entwicklung einer neuartigen Technik zur simultanen zeitlich und räumlichen Messung der Wandschubspannung2. Detailliertes Verständnis, wie Kavitationsblasen viskositätsvermittelte Kräfte an Oberflächen erzeugen3. Experimentell validierte Simulationen der Strömungen, die unter Verwendung des OpenFOAM-Frameworks durchgeführt werden. Mit dem Ende des Projektes werden die Paramterdateien frei verfügbar gemacht.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen