Grigorios Hatzissawidis M.Sc.

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Was haben Pumpen oder Schiffspropeller und künstliche Herzklappen gemeinsam? Es handelt sich um Komponenten von Fluidsysteme, die kavitieren können – Kavitation ist auch heute noch der limitierende Faktor bei fluidtechnischen Komponenten und kann zu ernsthaften Schäden bis hin zum Ausfall ganzer Anlagen führen.

Was ist Kavitation?

Kavitation beschreibt das Aufreißen einer Flüssigkeit, wenn ein kritischer Druck, genannt Blake’scher Druck, unterschritten wird. Die Flüssigkeit reißt dabei an Schwachstellen, z.B. Blasenkeime oder Partikel, auf, die in der Regel in jeder technisch relevanten Strömung vorhanden sind. Durchlaufen diese Blasenkeime ein Gebiet, in dem der kritische Druck unterschritten wird, dann werden sie instabil und kollabieren.

Dabei ist der Kollaps so aggressiv, dass dieser zu plastischen Verformungen von Metallen sowie Materialabtrag führen kann – ein anderes Beispiel aus der Natur ist der sogenannte Pistolenkrebs, der Kavitation zur Verteidigung und Beutefang nutzt.

Von der mikroskopischen Nukleation zur makroskopischen Kavitation…

Technisch relevante Kavitation ist jedoch weitaus komplizierter und chaotischer als die Dynamik einer einzelnen Blase: Makroskopische Kavitation um Auftriebskörper geht von kleinen Blasenkeimen am Ort der Kavitationsentstehung aus. Dabei spielen Instabilitäten, Grenzschichteffekte sowie Diffusion eine Rolle. Diese Kavitationsblasen kollabieren stromab. Der Kollaps ist jedoch weitaus komplizierter als nur die Dynamik einer Einzelblase – Kavitationsblasen treten in großen rotationsbehafteten, zusammenhängenden Strukturen, genannt Kavitationswolken auf (siehe Video).

Methoden: Experiment, physikalische Modellierung sowie künstliche Intelligenz

Das Experiment, d.h. die Beobachtung der Natur, ist der Ausgangspunkt für das Verständnis der Kavitation. Ausgehend vom Experiment am Kavitationskanal der TU Darmstadt – wie beispielsweise High-Speed-Messungen, Particle Image Velocimetry oder Werkstoffanalyse mittels Mikroskopie– werden zur Datenanalyse Methoden wie Modalanalyse und Deep Learning angewandt, um physikalische, axiomatische Modelle zu entwickelt und zu validieren.

Einfluss von Fertigungsverfahren für Pumpenlaufräder sowie der Fluidkonditionierung auf kavitationsbedingte Erosion – durch Experiment, Numerik und Axiome abgesicherte Modellierung

Die Zukunft von Wasserpumpen wird durch a) Marktregulierung b) Volatilität der Energieversorgung und -nutzung sowie c) neue Technologien wie additive Fertigung geprägt. Zur Lösung der durch a) und b) resultierenden Anforderungen werden häufig individuelle Pumpen oder Kleinserien gefertigt. Die aufstrebende additive Fertigung – auch 3D-Druck genannt – ermöglicht maßgeschneiderte Lösungen kostengünstiger, flexibler und schneller zu fertigen. Jedoch stehen Hersteller vor neuen Herausforderungen: Im Vergleich zu klassischen Gussverfahren bei der Fertigung von Laufrädern resultiert eine veränderte Strömungsmechanik und Kavitationsresistenz infolge veränderter Oberflächenstruktur sowie Materialgefüge.

Kavitation ist der limitierende Faktor im Betrieb einer Pumpe, der mit Vibrationen, Geräusch, Wirkungsgradabfall, Kavitationserosion bis hin zum Ausfall der Pumpe bzw. der gesamten Anlage einhergeht. Die komplexe Interaktion zwischen Werkstoff, Oberflächenstruktur und Strömungsmechanik soll in diesem Forschungsvorhaben verstanden und in Form von Konstruktionsleitlinien und Berechnungsroutinen an KMUs und andere Unternehmen transferiert werden. Dadurch soll insbesondere die durch den Mittelstand und KMU geprägte Pumpenindustrie auch in Zukunft wettbewerbsfähig bleiben, indem die Unsicherheit beim Einsatz moderner Technologien wie die additive Fertigung reduziert wird.

Durch einen kombinierten experimentell-axiomatischen sowie numerischen Ansatz soll Kavitationserosion in Hinblick auf Lebensdauer und Wartungsintervall in Abhängigkeit von Fertigungsverfahren und einhergehende Oberflächenbeschaffenheit sowie der Wahl des Werkstoffes berechenbar gemacht werden. Das im Vorgängerprojekt entwickelte Rechenverfahren in der lizenzkostenfreien Software OpenFOAM, das CFD-Methoden und Erosionsmodelle koppelt, soll dazu erweitert, validiert und der Pumpenindustrie zur Verfügung gestellt werden.

Video: Schockwellen-getriebene periodische Wolkenkavitation an einem Auftriebskörper

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