Experimentelle und numerische Untersuchung von blasenbildenden Zwei-Phasen-Strömungen und durch Kavitation bedingte Erosion

Shock tube at AER-length 24 m, diameter 0.3 m, pressures from 1 Pa to 50 bar

Motivation und Ziele

Die Bildung von Dampfblasen in einer Flüssigkeit verursacht durch eine hinreichende Druckminderung nennt man „Kavitation“. Strömungen mit Kavitation weisen eine Reihe von einzigartigen physikalischen Eigenschaften auf: So z.B. unstetige Sprünge in der Schallgeschwindigkeit von O(1000) m/s zu O(1) m/s, eine sprunghafte Dichteänderung von bis zu 4 Größenordnungen, intensive Kompressibilitätseffekte wie z.B. die Bildung starker Schockwellen mit Nachstoßdrücken von mehr als 1 GPa. Kavitierende Strömungen sind für eine große Bandbreite technischer Systeme relevant. Insbesondere sind Einspritzsysteme für Verbrennungsmaschinen, Hochdruckhydraulik, Schiffspropeller und biomedizinische Anwendungen kavitationsanfällig und zeigen zum Teil durch Kavitationen verursachte Materialermüdung. Unser Ziel ist es, effiziente und akkurate Simulationsmethoden zur Vorhersage aller relevanten Phänomene in kavitierenden Strömungen inklusive Schockwellenbildung und -ausbreitung zu entwickeln. Dies ermöglicht die virtuelle Designoptimierung zukünftiger Strömungsmaschinen und deren Komponenten.

Lösungsansatz

Wir führen physikalische Grundlagenexperimente mittels der am Lehrstuhl installierten Stoßrohre unter Einsatz von Hochgeschwindigkeitskameras/Sensoren durch, um die Kollapsvorgänge von in einem flüssigkeitsähnlichen Gel eingebettetem Gas- oder Dampfblasen zu untersuchen. Diese Experimente vertiefen das Verständnis der dabei involvierten Strömungsphysik und dienen als Datenquelle für unsere numerischen Untersuchungen. Seit über einem Jahrzehnt werden mathematische Modelle und numerische Verfahren für effiziente und akkurate Vorhersagen von kavitierenden Strömungsphänomenen an unserem Lehrstuhl entwickelt. Eine Reihe von numerischen Methoden einschließlich physikalisch konsitenter Large-Eddy-Simulation (LES) Verfahren ermöglichen Hochleitstungsrechnungen mit Linearskalierung auf HPC Systemen wie dem SuperMUC. Unsere Methoden sind „monolithisch“ in dem Sinne, dass alle vorkommenden Strömungskomponenten (Flüssigkeit, Dampf, träge Gase) in der gleichen Weise behandelt werden. Durch kollabierende Dampfstrukturen entstehende Schockwellen werden durch numerische Zeitschritte kleiner als eine Nanosekunde zeitaufgelöst dargestellt. Die dabei resultierenden Kräfte auf Materialoberflächen und somit die potentielle Materialermüdung werden ohne zusätzliche Modellannahmen direkt gewonnen. Unsere Grundlagenforschung im Bereich kavitierender Strömungen wird zum Beispiel durch die Europäische Union (Projekt „CaFE“)finanziert, während die angewandte Forschung in Zusammenarbeit mit verschiedenen Automobilzulieferern, dem US Office of Naval Research und der Europäischen Raumfahrtbehörde ESA ausgeführt wird.

Strahlwinkel und Erosionsanalyse in generischen Einspritzkomponenten