Kavitation

Forschungsbereich Kavitation und Erosion

Kavitierende Laufradströmung
Kavitierende Laufradströmung

Als Kavitation bezeichnet man das schlagartige Aufreißen einer Flüssigkeit infolge einer statischen Druckabsenkung und den darauffolgenden Kollaps der entstandenen Hohlräume. Von Isaac Newton im Jahre 1704 erstmals beobachtet und von Leonhard Euler im Jahre 1754 erstmals theoretisch beschrieben, rückte Kavitation im späten 19. Jahrhundert in den Fokus der wissenschaftlichen Betrachtung. Nachdem die unzureichende Vortriebskraft sowie die massive Materialzerstörung an den Schaufeln schnell drehender Schiffsschrauben beobachtet wurden, gewann das Phänomen zunehmend an technischer Relevanz. Im Jahre 1894 untersuchte Charles Parson ein 5 cm großes Modell einer Schiffsschraube im weltweit ersten Kavitationskanal mit Hilfe stroboskopischer Beleuchtung und entdeckte Hohlräume an der Rückseite der Schaufeln. In dieser Zeit wurde der Begriff Kavitation (lat. cavitare: „aushöhlen“) geprägt.

Wolkenkavitation an einem Profil (Seitenansicht)
Wolkenkavitation an einem Profil (Seitenansicht)

Infolge der Industrialisierung und des immer größer werdenden Leistungsangebots galt es, die zumeist negativen Auswirkungen der Kavitation auch beim Betrieb von hydraulischen Maschinen zu berücksichtigen. Seitdem werden die Betriebsgrenzen hydraulischer Maschinen nicht mehr nur durch die verfügbare Leistung, sondern auch durch eine Veränderung der Kennlinie, dem Vorhandensein starker Schwingungen und Geräuschen sowie den auftretenden Werkstoffzerstörungen festgelegt. Bei Turbinen führen die negativen Auswirkungen der Kavitation zu höheren Anlagenverlusten und somit zu einer Verschlechterung des Wirkungsgrads. Bei Pumpen kann die durch Kavitation bedingte Zweiphasenströmung zu einer Abnahme der Förderhöhe bis hin zur völligen Unterbrechung des Förderstroms führen. Des Weiteren ist davon auszugehen, dass ein Großteil aller Pumpenausfälle auf Kavitation zurückzuführen ist, was die ökonomische Bedeutung des Phänomens unterstreicht.

Kavitation an einem Dreischaufellaufrad
Kavitation an einem Dreischaufellaufrad

Heutzutage ist Kavitation nicht mehr nur aufgrund seiner negativen Auswirkungen in maritimen Anwendungen und hydraulischen Maschinen ein Forschungsthema. Die Oberflächenreinigung fester Oberflächen mit Hilfe von Ultraschall wird in vielen technischen Bereichen wie zum Beispiel der Halbleiterindustrie eingesetzt und basiert auf der gezielten Erzeugung von Kavitation durch Schallwellen, der akustischen Kavitation. Die Zerstörung von Bakterien und Partikeln erlaubt es darüber hinaus Kavitation zur Abwasserreinigung einzusetzen. Bei der Lithotripsie (Zertrümmerung von Nierensteinen) macht man sich die Auswirkungen der Kavitation auch im medizinischen Bereich zu nutze. Daneben kann Kavitation auch zur Intensivierung von Vermischungsprozessen, zur Verbesserung der Zerstäubung und für die lokale und räumliche Freisetzung von therapeutischen Wirkstoffen im menschlichen Körper verwendet werden.

Kavitationsforschung

Das Institut für Fluidsystemtechnik kann auf eine lange Historie in der Kavitationsforschung zurückblicken. Bereits im Jahre 1921 begann Professor Wagenbach (Professur für Wasserkraftmaschinen und Hydraulik) mit der Erforschung von Kavitation. Bis zum heutigen Tage sind zahlreiche Arbeiten zu diesem Thema erschienen. Die behandelten Forschungsfragen orientieren sich dabei zum Teil an Problemstellung aus dem Betrieb hydraulischer Maschinen, zumeist Pumpen. Der Fokus der Forschung liegt allerdings nach wie vor auf Grundlagenunter¬suchun¬gen zum Thema Kavitation. Hier wird versucht, Kavitation mit Hilfe physikalischer Modelle zu beschreiben. Aktuelle und abgeschlossene Forschungsprojekte können Sie der folgenden Auflistung entnehmen.

Aktuelle Forschung

Thema Bearbeiter Infos
   
Der Einfluss von Oberflächenrauheiten auf das Kavitationsereignis in Kreiselpumpen radialer Bauart Tim Groß, M.Sc.
 
   
Modellierung von Schädigungsvorgängen beim Einzelblasenkollaps Sebastian Lang, M.Sc.
Forschungsposter
   
Experimentelle Untersuchung und Modellierung der Luftausgasung in technischen Fluiden Dipl.-Ing. Hans-Arndt Freudigmann.
 
 

Abgeschlossene Forschungsvorhaben

Thema Bearbeiter Infos
Erprobung und Validierung von Kavitationsmodellen zur Berechnung der erosiven Agressivität kavitierender Strömungen in Kreiselpumpen radialer Bauart Tim Groß, M.Sc.
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Numerische Vorausberechnung des Erosionsbeginns durch auftreffende Partikel auf Metallmatrix-Verbundwerkstoffe Ibrahim Budde, M.Sc.
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Numerische und Experimentelle Analyse von Einflüssen der Versuchsbedingungen bei Kavitationsmessungen an Kreiselpumpen Dr.-Ing. Nuri Hamadeh Download
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Die instationäre Kavitation in einer
konvergent-divergenten Düse
Dr.-Ing. Thomas Keil Download
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Theoretische Untersuchungen zur
Energiebündelung bei Wolkenkavitationsvergängen
Dr.-Ing. Johannes Buttenbender Download