Kavitation Corinna Damm, 30 21 66 28 Sarah Dickel, 30 23 38 34

Gliederung Entstehung von Kavitation Definition Bernoullische Gleichung Kavitationszahl Hydrodynamische Ursachen Sättigungsdampfdruckkurven/ Abgrenzung zu Sieden Beginn der Kavitation und Einflussfaktoren Formen der fortgeschrittenen Kavitation Wolken- und Schichtkavitation Kavitationskeime Blasenkollaps Energieumwandlung bei Kavitation Schäden durch Kavitation Erosive Kavitation Stellen mit erhöhter Kavitationsgefahr Verhinderung von Schäden Anwendung in Technik, Medizin und Zoologie

Definition von lat. „cavitare“ = „aushöhlen“ Bildung und schlagartiges Zusammenfallen bzw. Auflösen von dampfgefüllten Hohlräumen (= cavitites) in strömenden Flüssigkeiten Durch hydrodynamische Druckabsenkung (in Verbindung mit Bewegung) kommt es zu einer Phasenänderung von flüssig nach gasförmig (=VERDAMPFUNG), die örtlich begrenzt ist. Die entstandenen dampfgefüllten Hohlräume werden von der Strömung mitgenommen und fallen implosionsartig (d.h. die Kräfte sind auf das Zentrum gerichtet, sodass das Objekt in sich selbst zusammenbricht: bei der Kavitation ist der umgebende Wasserdruck dann größer als der Innendruck) zusammen, wenn der Druck den Dampfdruck wieder übersteigt (=RÜCKKONDENSATION).

Bernoullische Gleichung (1) [Bild: WBW]

Bernoullische Gleichung (2) „Definitionsskizze für Kavitation“ Längs 1-2 erfolgt Beschleunigung der Strömung, damit Erniedrigung des Druckes An Punkt 2 entspricht der Druck dem Luftdruck Durch die Strömung werden die Dampfblasen fortgetragen und gelangen in Schnitt 5 wieder in Gebiete höheren Druckes, sodass die Dampfblasen zerfallen (kondensieren) Bernoullische Energiegleichung:

Kavitationszahl

Hydrodynamische Ursachen von Kavitation

Innenströmung

Dampfdruckkurve von Wasser [Bild: Ludwig]

Kavitationsbeginn (1) Kavitationsbeginn zu ermitteln ist wichtig für: Optimierung von Maschinen, Bauteilen Nachweis, dass (keine) Kavitation bei bestimmtem Bauteil stattfindet

Kavitationsbeginn (2) Kavitationsversuche: Geometrie und Strömung konstant Druck variieren, um Kavitationsbeginn festzustellen und Einflüsse darauf

Einfluss auf Kavitationsbeginn (1) Generell Reibung →Druckabfall →Kavitationsgefahr Reibung = Verlusthöhe, dadurch werden die anderen Höhen, also auch die Druckhöhe geringer [Bild: GL VL WaWi]

Einfluss auf Kavitationsbeginn (2) Strömungsablösung: wenn Profil so schräg zur Strömung, dass Fluid nicht mehr entlang des Profils strömen kann hinter Profil: Totzone im Grenzbereich zwischen Totzone und Strömung: Wirbel Kavitation in Wirbeln Bild: Ludwig

Einfluss auf Kavitationsbeginn (3) Wandrauhigkeit mikroskopisch klein → auch Strömungsablösung → Kavitation Wirkdauer des Sättigungsdampfdrucks in der Flüssigkeit, damit Blasen Zeit haben, sich auszubilden und groß genug werden. [Bild: Ludwig]

Einfluss auf Kavitationsbeginn (4) Reynoldszahl generell: hohe Re → Turbulenzen: Geschwindigkeit und Druck sind nicht überall gleich groß Druck unterschreitet an verschiedenen Stellen Sättigungsdampfdruck, obwohl Durchschnittsdruck höher. → nicht nur mittleren Druck beachten, sondern Schwankung mitbeachten!! Turbulenzgrad = Größe der Schwankungen [Bild: Ludwig]

Einfluss auf Kavitationsbeginn (5) Reynoldszahl je größer Anströmgeschwindigkeit, desto stärker die Kavitationseffekte stärkere Kavitationseffekte bei größeren Körpern (=Hindernisse) → mehr Reibungseffekte je größer dynamische Viskosität, desto geringer Kavitation, hohe Zähigkeit verlangsamt Blasenwachstum

Formen der fortgeschrittenen Kavitation [Ludwig]

Schicht- und Wolkenkavitation (1) [Bild: Ludwig]

Schicht- und Wolkenkavitation (2) CLE = Circular Leeding Edge, einfaches Strömungsprofil Dunkle Gebiete Dampf, helle Gebiete Flüssigkeit Fixed Cavity: Anhaftendes zusammenhängendes Dampfvolumen, entsteht in abgelösten Strömungen nach Auffüllen des Ablösegebietes mit Dampf Reentrant- jet: zurückeintretender/ -strömender Strahl, läuft normaler Strömung entgegen, schneidet damit das Ablösegebiet ab, damit entscheidend für Wolkenbildung! Wolkenkavitation: Blasen- Cluster, Interaktion zwischen den Blasen, geänderte Wachstums- und Implosionsgeschwindigkeit; zB: Cluster- Modell von Kubota und Kato, dazu Modifizierung der Rayleigh- Plesset- Gleichung [Bild: Ludwig]

Schicht- und Wolkenkavitation (3) [Foto: Ludwig]

Fortgeschrittene Kavitation Kavitation ist nicht vorhersehbar, auch nur sehr schwer numerisch mit heutigen Methoden (große Rechnerleistung nötig, laufen teilweise Wochen für Berechnungen, für Firmen nicht rentabel) Fortgeschrittene Kavitation ist unter anderem abhängig von: Kavitationstyp Flüssigkeitseigenschaften (Keimspektrum, wichtig für Wirbelkavitation) Strömungsgeschwindigkeit

Kavitationskeime In der Flüssigkeit befinden sich ungelöste Gase, die meist in Form von frei verteilten Mikroblasen auftreten Mögliche Arten von Keimen sind freie Gaskeime, Porenkeime an Schwebepartikeln und an Wänden Der Inhalt der Gase sind Fremdgase (meist Luft) oder Dampf der Flüssigkeit Diese wirken als Keime, an denen bei beginnender Kavitation die Verdampfung der Flüssigkeit einsetzt Der Keimgehalt lässt sich direkt durch zB optische Methoden oder indirekt durch Messen der Zugfestigkeit der Flüssigkeit bestimmen Die Zugfestigkeit ist definiert als die Differenz aus thermodynamischem Dampfdruck und statischem Flüssigkeitsdruck in Dampfnähe Die Zugfestigkeit wird größer, je kleiner die Kavitationskeime sind und je weniger Keime vorhanden sind; bei vollständiger Abwesenheit kann die Zugfestigkeit sehr große Werte annehmen, bei entsprechend vorbehandelndem Wasser von mehreren bar (bis zu 270 bar), dh: In extrem reinen Flüssigkeiten würde es in technischen Systemen keine Kavitation geben In der Realität liegen die Werte zwischen null und wenigen bar

Blasenkollaps (1) Kollaps einer laserinduzierten Blase [Bild: Physik3]

Blasenkollaps (2) „microjet“ Einschnürung durch Kollabieren in Wandnähe, Flüssigkeit kann hier nicht schnell genug nachströmen (Asymmetrie der Blase), Strahl (Microjet) entsteht, der immer rechtwinklig auf die Wand gerichtet ist, dieser verursacht lokal große Belastung, danach Zerfall in kleiner Blasen und rebounds [Bild: Bohl/Elmendorf]

Energieumwandlung bei Kavitation Strömungsenergie Gespeicherte Energie in den Blasen (potentielle Energie) Ausgesendete Energie beim Blasenkollaps Aufteilen der Energie in Druckwellen (Flüssigkeits-schall) Micro jets (hoher Impuls) Körperschall (Druckwelle regt Bauteile zum Schwingen an) Wärme Schall (dadurch messbar) Plastische Verformung eines Bauteil, Energie wird vom Werkstoff aufgenommen

Negative Wirkungen der Kavitationsblasen mechanische Schäden an Bauteilen (Erosion) Wirkungsgradverminderung von Turbinen und Pumpen, da Kavitationsblasen den Fließquerschnitt verengen Geräuschentwicklung [Bild:Bosy Online]

Wirkungsmechanismen durch erosive Kavitation (1) In direkter Wandnähe Blasenkollaps der Einzelblasen -> micro jet und Druckwelle Blasencluster  Summation der Wirkungen der Einzelblasen

Wirkungsmechanismen durch erosive Kavitation (2) Zuerst verändert/ entfernt sich Schutzschicht des Werkstoffs (z.B. Korrosionsschutzschicht) Entstehung von „pits“: Vereinzelt, nur unter Mikroskop sichtbar „Pit“ = Erste Schädigungsphase eines Werkstoffs durch micro jet Danach folgen: Überlagerung von „pits“ plastisches Ausweichen des Werksstoffs Bruchvorgänge und Volumenverlust

Schäden durch erosive Kavitation Materialschäden unter Mikroskop Schäden, makroskopisch [Bild: Ludwig] [Bild:Korros]

Stellen mit erhöhter Kavitationsgefahr bei hohen Wassertemperaturen hinter Schiffspropellern an Turbinen (wegen hoher Geschwindigkeit) an Pumpen, vor allem Kreiselpumpen Schussrinnen (wegen hoher Geschwindigkeit) [Bild: Ludwig]

Verhinderung von Schäden durch Kavitation Flüssigkeitstemperatur nicht zu hoch Pumpe nicht im Leerlauf laufen lassen (→ würde zu hohe Temperaturen erzeugen) Sohlenbelüftung, Druckerhöhung durch Ansaugen von Luft [Bild: GL VL WaWi] Kavitation nicht komplett verhinderbar, sonst Maschinen unwirtschaftlich groß

Anwendungen von Kavitation (Technik) Durch Kavitation bessere Vermischung von Stoffen in Lebensmittelindustrie Reinigung von Ballastwasser bei Tankschiffen, Kavitation tötet Mikroorganismen ab Ultraschallbäder zur Reinigung (z.B. Brillenreinigung...), Kavitation erodiert Schmutzpartikel von der Oberfläche

Anwendung Kavitation (Medizin) Fettreduktion: Durch Ultraschall wird Flüssigkeit in den Fettzellen zum Schwingen angeregt ->Kavitationsblasen, bei Implosion der Blasen, werden Zellmembranen zerstört Zertrümmerung von Nierensteinen (durch Ultraschall)

Anwendung Kavitation (Zoologie) Knallkrebse können Kavitationsblasen erzeugen, um Gegner oder Beute zu schädigen Zahn an der Schere sorgt beim Zuklappen der Schere für sehr schnelle Wasserwelle und Kavitationsblase [Bild: Meerwasserlexikon]

Quellen Vorlesung „Kavitation“, TU Darmstadt, WS 2011/12, Dr. Ludwig Vorlesung „Wasserbauwerke und Fließgewässerhydraulik“, WS 12/13, Prof. Theobald, Universität Kassel, VL4 http://de.wikipedia.org/wiki/Kavitation http://www.physik3.gwdg.de/~pkoch/AWG/kavitation.html info_100201_aifforschungsvorhaben_nr_14865_n1 http://www.bosy-online.de/Kavitation.htm http://de.wikipedia.org/wiki/Superkavitation http://www.mybody.de/kavitation.html http://de.wikipedia.org/wiki/Knallkrebse Bildquellen Titelbild: http://www.bous-koeln.de/uploads/tx_templavoila/Ultra_Abb5.jpg [Ludwig]: Dr. Ludwig, TU Darmstadt, Vorlesung Kavitation, WS 2011/12 [WBW]: Prof. Theobald, Universität Kassel, FB14, FG Wasserbau und Wasserwirtschaft, Vorlesung „Wasserbauwerke und Fließgewässerhydraulik“, WS 12/13, VL4 [GL VL WaWi]: Prof. Theobald, Uni Kassel, FB 14, FG: Wasserbau und Wasserwirtschaft,, Vorlesung Grundlagen des Wasserbaus und der Wasserwirtschaft, SS 2012, VL7 [Meerwasserlexikon]: http://www.meerwasser-lexikon.de/tiere/806_Alpheus_soror.htm [Physik3]:http://www.physik3.gwdg.de/~pkoch/AWG/kavitation.html [Bosy Online]: http://www.bosy-online.de/Korrosion/Kavitation-Kreiselpumpe.jpg [Korros]: http://www.korros.de/Bilder-Kreiselpumpen/kavitation02.jpg

Kavitation Sarah Dickel und Corinna Damm