Energie Fokussierung von Kavitationsblasen in Strömungen nahe einer Grenzfläche

• Antragsteller: Professor Dr. Claus-Dieter Ohl
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik ; Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 537676318

Kavitationsblasen sind kalte Dampfblasen, die häufig in schnellen Strömungen auftreten. Nachdem solch eine Blase auf ein maximales Volumen aufgeschwungen ist, implodieren sie wieder. Während dieses so genannten Kollapses bündeln die Kavitationsblasen die kinetische Energie der Flüssigkeit für kurze Zeit auf ein kleines Volumen. Dabei entstehen lokal hohe Temperaturen und sehr Drücke. Wenn der Kollaps der Blase in der Nähe einer starren Struktur, z. B. eines Tragflügels oder der Schaufeln einer Pumpe, geschieht, können deren Oberflächen erodiert werden. Der Fähigkeit von Kavitationsblasen, Energie zu bündeln, ist bereits viel wissenschaftliche Aufmerksamkeit geschenkt worden. Dennoch, wurde dabei auf die Wirkung einer externen Strömung nur wenig eingegangen. Unsere jüngsten Ergebnisse zeigen jedoch, dass leichte Asymmetrien während des Kollapses, die z. B. durch ein Hintergrundströmung bestimmt wird, die Energiefokussierung drastisch verstärken können. Obwohl die meisten Kavitationsphänomene in realen Anwendungen in Gegenwart einer Strömung auftreten, wurde deren Auswirkung auf die Energiefokussierung und insbesondere auf die Erosion bisher nicht auf der Ebene einer einzelnen Blase untersucht. Im vorliegenden Antrag wollen wir die Bedeutung von Strömungen auf einzelne Blasen, die in der Nähe von starren Grenzflächen kollabieren, aufklären. Zu diesem Zweck setzen wir Kavitationsblasen zwei Arten von Strömungen aus: einer Staupunktpunktströmung, die durch einen Wandstrahl realisiert wird, und einer druckgetriebenen Scherströmung. Die Untersuchungen der Scherströmungen werden in eine simple planare Strömung und eine radial expandierende Scherströmung unterteilt. Methodisch werden wir Hochgeschwindigkeitsaufnahmen, akustische Messungen mit hoher Bandbreite, achsensymmetrische Volume-of-Fluid-Simulationen und die Analyse des erodierten Volumens mit einem konfokalen Laserscanning Mikroskop verwenden. Wir wollen verstehen, wie eine Strömung die Energiefokussierung beeinflusst, also ob solche Strömungen die Kavitationserosion verhindern oder verstärken. Die Auswirkungen dieser Erkenntnisse wären weitreichend. Sie könnten die Kavitationserosionsmodelle in der numerischen Strömungsmechanik anleiten, um realistischere Vorhersagen für die Integrität des Werkstoffs zu erzielen. Auch für die Auslegung kavitationsanfälliger Strömungen, z. B. bei Düsen, Propellern, Krümmern in Rohrströmungen oder sogar für die Umströmung von künstlichen Herzklappen, wäre es von Vorteil, wenn man wüsste, wie Erosion bei Strömung vermieden werden kann. Hier wollen wir nicht vergessen, dass durch eine Energien Bündelung sich auch positive Effekte erzielt lasen, wie zum Beispiel bei der Erzeugung von Nanopartikeln, dem kavitationsbasierten Härten (peeing) von Werkstoffen oder durch eine Erhöhung der Effizienz in sonochemischen Reaktoren. Wir sehen diesen Antrag als einen wichtigen ersten Schritt zum Verständnis von Kavitationserosion in realen Strömungen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen