Numerische Simulation der Strömungsdynamik und -aggressivität bei hydroakustischer Kavitation an Sonotroden

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Romuald Skoda
• Fachliche Zuordnung: Strömungs- und Kolbenmaschinen ; Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 495400765

Trotz des vielfältigen Einsatzes von Sonotroden z.B. in der Chemie, Verfahrenstechnik, Biologie oder Werkstoffprüfung ist die aggressive kavitierende Strömung, im Folgenden als Hydroakustische Kavitation bezeichnet, noch bei Weitem nicht vollständig verstanden. Exemplarisch wird die indirekte Methode zur Werkstoffprüfung, also die Verwendung einer Materialprobe gegenüber des schwingenden Sonotrodenkopfes, in den Vordergrund gestellt. Diese höchst aggressive Strömungsform hinterlässt Kavitationserosionsprofile auf den Materialproben, die gewissermaßen als Materialsensoren fungieren und Topographien der Strömungsaggressivität liefern. Mit einer Variation des Spaltabstandes zwischen schwingendem Kopf und stationärer Gegenprobe zeigen die vorhandenen Messdaten eine charakteristische Umverteilung der Strömungsaggressivität, die bisher mit 3D-CFD-Methoden nur höchst unvollständig erklärt werden konnte. Ziel des Vorhabens ist daher die Verbesserung und Validierung der 3D-Strömungssimulation, deren Anwendung auf die hydroakustische Kavitation zur Aufklärung der Strömungsphysik, die im Zusammenhang mit den Erosionsmustern steht, beitragen soll. Neben turbulenten und thermischen Effekten steht die Erweiterung der Simulationsmethode um Effekte von nicht-kondensierbarer Luft und ihres dämpfenden Einflusses auf die Erosion im Vordergrund. Basierend auf dem homogenen Mischungsansatz wird ein hybrides Volume-of-Fluid (VOF) / Euler-Euler-2-Fluid (EE2F) -Verfahren entwickelt, mit dem bei ausreichender räumlicher Auflösung die Phasengrenze aufgelöst werden kann. Für die disperse Verteilung des EE2F-Teils der Methode wird eine klassenbasierte Populations- und Blaseninteraktionsmodellierung verwendet. Der Phasenübergang wird mit einem kompressiblen Verfahren mit thermodynamischem Kavitationsmodell, d.h. unter der Annahme thermischen und mechanischen Gleichgewichtes und Verwendung einer Zustandsgleichung beschrieben. Die Implementierung erfolgt durch in-house-Erweiterungen von OpenFOAM. Mit einem phasengrenzen-auflösenden 1D-Einzelblasenmodell wird der detaillierte Stoff- und Wärmeübergang an einer Vielzahl an sphärischen Einzelblasen berechnet, und zur skalenübergreifenden Beschreibung der Luftde- und Absorptionsrate wird die resultierende Verteilung der Rate per Quellterm an den 3D-EE2F-Löser übergeben. Die Validität des Verfahrens über die hydroakustische Kavitation an Sonotroden hinaus wird an der kavitationsinduzierten Luftausgasung an einer kavitierenden Lochblende überprüft, die klassisch der hydrodynamischen Kavitation zuzuordnen ist.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen