Kavitation und generische Strömungen in Turbomaschinen
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Mehr Dynamik geht nicht: in keinem Vorgang wird Energie so stark fokussiert wie bei der Kavitation. Dieses Phänomen ist schon seit langem bekannt, jedoch noch immer nicht vollständig verstanden. Wir am Institut forschen mit moderner Lasermesstechnik an diesem Thema.

Robert Andrews Millikan

Die Wissenschaft steht auf zwei Beinen, nämlich Theorie und Experiment

Als Kavitation wird ein lokales Ausgasen aufgrund Druckabsenkung innerhalb von Flüssigkeiten bezeichnet. Die dadurch gebildeten Blasen kollabieren kurzer Zeit nach ihrer Entstehung wieder und führen häufig zu hohen Druckstößen, Materialschädigungen, Schallemission und Änderungen des Betriebsverhaltens innerhalb des betroffenen Systems. 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. Am Institut wird der Entstehungsprozess, also die Blasen- und Keimbildung, untersucht sowie analytische Modelle zur Beschreibung der Dynamik von Kavitationswolken entwickelt.

Turbomaschinen sind ein wichtiges Element unserer modernen Zivilisation. Sie verbrauchen ca. 35% des in der Industrie anfallenden Stromverbrauchs, aber generieren auch z.B. über 50% des Energiebedarfs des Vereinigten Königreichs. Aus ökonomischen Gründen arbeiten Turbomaschinen häufig nicht im Design-Point, bei dem der Wirkungsgrad maximal ist. In diesem Teillastbetrieb treten unterschiedliche, sekundäre Strömungsphänomene wie z. B. Kavitation, Rotating-Stall und Teillastrezirkulation auf, die sowohl den Wirkungsgrad als auch die Betriebssicherheit reduzieren. In Anbetracht der Bedeutsamkeit der Turbomaschinen widmet sich das Institut der Untersuchung dieser Phänomene. Die Teillastrezirkulation tritt bei der Unterschreitung einer kritischen Durchflusszahl ein woraufhin eine Ablösung und Rezirkulation der Strömung erfolgt. Diese Ablösung und Rezirkulation führt zu einer ungewollten Veränderung des Geschwindigkeitsprofils, Schubspannung, Dissipation und Turbulenz der Grenzschicht.

Zur Beschreibung der Dynamik von Kavitationswolken wird ein analytisches Modell entwickelt. Dieses basiert auf den Erhaltungsgleichungen für Masse und Impuls und der Rayleigh-Plesset-Gleichung.

Die Materialschädigungen infolge Kavitation werden mittels des Pit-Count-Messsystems quantifiziert. Dabei wird die beschädigte Oberfläche optisch gescannt und die Schädigungsenergie bestimmt. Die Materialschädigungen werden am Kavitationsprüfstand erzeugt.

Zur Visualisierung der Kavitationsregime wird eine Hochgeschwindigkeitskamera und ein Feststofflaser oder eine LED-Lichtquelle verwendet. Das Geschwindigkeitsfeld der Strömung wird mittels PIV-Messtechnik bestimmt.

Die Laser-Doppler-Anemometrie ist eine kontaktlose Messmethoden um die Strömungsgeschwindigkeit von Partikeln zu messen. Dabei werden zwei kohärente Laserstrahlen an einem Messpunkt überlagert und die Schwebung der Interferenz durch die Dopplerverschiebung gemessen. Mit Hilfe dieser Technik ist es möglich die Strömungsgeschwindigkeit ortsaufgelöst zu bestimmen.

Das Ziel des Projektes ist es, ein Berechnungsverfahren zur Prognose des zeitlichen Verlaufes der Kavitationserosion zu entwickeln und für den industriellen Entwurfsprozess von Pumpen zur Verfügung zu stellen. Es gilt die Frage zu beantworten, nach welcher kumulierten Betriebszeit die ersten Erosionsschäden auftreten. Für die Entwicklung des Berechnungsverfahrens wird ein kombinierter experimentell-numerischer Ansatz gewählt. Die numerischen Arbeiten werden am Lehrstuhl für Hydraulische Strömungsmaschinen der Ruhr-Universität Bochum durchgeführt. Zur Validierung dieses Berechnungsverfahrens werden am Institut für Fluidsystemtechnik an der Technischen Universität Darmstadt Experimente zur (i) Strömungsvisualisierung mittels Hochgeschwindigkeitsmessungen und (ii) Erosionsversuche mittels Pit-Count und Massenabtragsmessungen am Kavitationserosionskanal durchgeführt. Um die Randbedingungen für die Numerik vorzugeben kommen Lasermesstechniken wie Laser Doppler Anemometrie und Particle Image Velocimetry zum Einsatz.

Das Ziel diese Projekts ist es, das Phänomen der Teillastrezirkulation anhand eines allgemeinen, generischen Modells zu untersuchen. Der Vorteil des generischen Modells ist es, dass es unabhängig von der Geometrie einer spezifischen Turbomaschine ist und somit das ideale Versuchsobjekt darstellt. Explizit wird die Auswirkung einer beschleunigten bzw. verzögerten Strömung auf die Grenzschicht und auf die Ausbreitung der Strömungsablösung in einem rotierenden Rohr untersucht. Um die Grenzschicht und die Strömungsablösung untersuchen zu können, wird an einem offenen Windkanal die Methode der Laser-Doppler-Anemometrie verwendet.

Thema
Erprobung und Validierung von Kavitationsmodellen zur Berechnung der erosiven Aggressivität kavitierender Strömungen in Kreiselpumpen radialer Bauart Bericht (wird in neuem Tab geöffnet)
Numerische Vorausberechnung des Erosionsbeginns durch auftreffende Partikel auf Metallmatrix-Verbundwerkstoffe Veröffentlichung (wird in neuem Tab geöffnet)
Numerische und Experimentelle Analyse von Einflüssen der Versuchsbedingungen bei Kavitationsmessungen an Kreiselpumpen Bericht (wird in neuem Tab geöffnet)
Die instationäre Kavitation in einer konvergent-divergenten Düse Bericht (wird in neuem Tab geöffnet)
Theoretische Untersuchungen zur Energiebündelung bei Wolkenkavitationsvorgängen Poster (wird in neuem Tab geöffnet)
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