Inhaltsübersicht zum Kapitel 5 Auswirkungen der Kavitation
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- Maya Böhm
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1 Inhaltsübersicht zum Kapitel 5 Auswirkungen der Kavitation 5.1 Schallakustische Auswirkung 5. Rückwirkung auf die Strömung 5..1 Innenströmung 5.. Außenströmung 5.3 Kavitations-Erosion Wirkungsmechanismus der erosiven Aggressivität von Kavitation 5.3. Messmethoden Maßgebende Einflussgrößen 4. Januar 01 Dr. Ludwig Vorlesung Kavitation WS 011/1 166
2 Bedeutung 5.1 Auswirkungen der Kavitation Erzeugung von Schallsignalen Veränderung des Strömungsfeldes Werkstoffzerstörung 4. Januar 01 Dr. Ludwig Vorlesung Kavitation WS 011/1 167
3 5.1 Schallakustische Auswirkungen (1/11) Kavitationsinduzierte Schallsignale Blasenimplosion Flüssigkeitsschall Körperschall Luftschall Schallemission Verschiedene Wechselwirkungen der Blasen: - Wolken - Hufeisenwirbel Geometrie der Dampfvolumina nicht unbedingt kugelförmig impulsförmig Vibrationen Hohe Geschwindigkeit geht mit hohem Exponenten in Schallintensität und erosive Aggressivität ein. 168
4 5.1 Schallakustische Auswirkungen (/11) p = 0,703 bar, = 0 C, p G,A = 0,007 bar, R max = 1 mm 169
5 5.1 Schallakustische Auswirkungen (3/11) Wirbellinien Ende der Kavitationstasche Hufeisenwirbel Transition Kavitationstasche Kollaps 170
6 5.1 Schallakustische Auswirkungen (4/11) Einflüsse auf Entstehung Strömungsfeld Blasendynamik Kavitationstyp Kavitationsausmaß Einflüsse auf Übertragung Dämpfung Energiedissipation insbesondere durch Streuvorgänge an anderen Blasen Bestimmung der void fraction aus der Änderung der Schallgeschwindigkeit Reflexionen Bestimmung des Reflexionsanteils aus der Änderung der Sekundärpulse Resonanzen 171
7 5.1 Schallakustische Auswirkungen (5/11) Praktische Bedeutung Geräuschemission akustische Erfassung (Beginn; Eigenschaften; Intensität) Signale stochastisch, impulsartig Frequenzgehalt Blasenschwingung ( rebound ) f e instationäre Kavitation f Zyklus 1 f0 ; t Form der Einzelimpulse - E ~ f breitbandig a 17
8 5.1 Schallakustische Auswirkungen (6/11) Aufnahme Hydrophon Körperschallaufnehmer Mikrophon Druckstoßaufnehmer Strömungsrichtung drehbare Stufenkontur Kavitation Druckstoßaufnehmer (direkte Erfassung) Hydrophon (indirekte Erfassung) 173
9 5.1 Schallakustische Auswirkungen (7/11) Direkte Messung - Druckstoßaufnehmer A [V] 3 1 Abklingverhalten des Sensors als Reaktion eines Kavitationsereignisses Impuls als Maß für die Kavitation 0,0 0,1 0, 0,3 0,4 t [ms] 174
10 5.1 Schallakustische Auswirkungen (8/11) Fernfeldmessungen - Variation der Geschwindigkeit - 0 A[dB re 1V] - 0 A[dB re 1V] f[khz] Hydrophon f[khz] Körperschallaufnehmer c 0 = 6 m/s c 0 = 8 m/s c 0 = 10 m/s Fazit Mit Geschwindigkeit wird Amplitude höher; charakteristischer Verlauf ist gleich. Jedoch Sensorabhängigkeit. 175
11 5.1 Schallakustische Auswirkungen (9/11) Fernfeldmessungen - Variation der Kavitationszonen-Länge - 0 A[dB re 1V] f[khz] Körperschallaufnehmer L c /L r = 0,5 L c /L r = 0,50 Fazit Verlauf praktisch unabhängig von der Kavitationszonen-Länge. Jedoch Sensorabhängigkeit. 176
12 Schall 5.1 Schallakustische Auswirkungen (10/11) Signalverarbeitung Filterung (Hochpass ~ 40 khz) und Effektivwert Frequenzspektrum Impulshöhenanalyse Vorteile der akustischen Erfassung hohe Empfindlichkeit ( i!) keine Abänderungen am Messobjekt i,visuell i,akustisch Gründe für Maximum: - abnehmende Impulsenergie - zunehmende Dämpfung der Ausbreitung 177
13 5.1 Schallakustische Auswirkungen (11/11) Ziele aktueller Forschung Identifikation Korrelation mit Kavitationserosion Erarbeitung von Grenzwerten für zulässige Kavitation 178
14 5. Rückwirkung auf die Strömung Art der Strömung Innenströmung Außenströmung mit/ohne Ablösung Stadium der Kavitation beginnende bzw. schwache fortgeschrittene Kavitation Voll-/Super- 179
15 5..1 Innenströmung (1/7) y c v mit: y v = spezifischer Energieverlust = Druckverlustziffer = f(geometrie) V c = mittlere Geschwindigkeit = c A Verluste durch Wandreibung (äußere Reibung) Verwirbelung/Vermischung nach Ablösung (innere Reibung) 180
16 5..1 Innenströmung (/7) Einschnürung Umlenkung anliegende Strömung abgelöste Strömung Kavitationsgefahr Ablösung 181
17 5..1 Innenströmung (3/7) Für i = f(geometrie, Rauhigkeit (K/L), anliegende Strömung Reynoldszahl, Fortschrittsgrad der Kavitation (-Wert)) voll i abgelöste Strömung voll i keine Auswirkung der Kavitation 18
18 5..1 Innenströmung (4/7) Venturidüse (anliegende Strömung) c 0 c max c 0 Blende (abgelöste Strömung) zunehmende Verringerung des Strömungsquerschnittes Vergrößerung von c größere dissipative Wirkung Gelegentlich macht sich ein gegenläufiger Effekt, die Verringerung der Wandreibung, bei beginnender Kavitation bemerkbar. Keine Behinderung der Strömung, solange das Dampfgebiet auf das Ablösegebiet beschränkt bleibt. c 0 c max c 0 183
19 5..1 Innenströmung (5/7) kavitationsfrei V abnehmend mit Kavitation (niedrigeres Druckniveau) Begrenzung des Volumenstromes ( choking ) p c c p max 0 min const p v in der " vena contracta" 184
20 5..1 Innenströmung (6/7) Zur Schallgeschwindigkeit in Flüssigkeiten a mit in Flüssigkeits-/Gas-Gemischen ( void fraction ) 1.) E Fl Fl V VGas V Gas Fl V V 1 E m 1 E Fl E Gas p 1 E Fl Wasser (0 C): E Fl 10 9 m a Fl 1450 s N m.) für E Fl >> E Gas : E m E Gas p (idealesgas) m Gas 1 Fl für Fl >> Gas : m 1 Fl a Fl m afl a p Gas 185
21 Schallgeschwindigkeit [m/s] 5..1 Innenströmung (7/7) [m/s] 488 [m/s] Gase a R T a (Luft, 0 C) = 340 m/s [m/s] Flüssigkeit 50 p = 3 bar, gesättigt 0 a E Fl Fl a (H O, 0 C) = 1450 m/s kein Massen- und Wärmetransport thermisches Gleichgewicht ,5 1 void fraction, Gemisch a Fl m afl a p a Gas a a m Dampf HO 186
22 5.. Außenströmung (1/6) C o F A ε F W Widerstand F W aus - Reibungswiderstand - Formwiderstand Auftrieb F A durch - Anstellung - Wölbung dimensionsloser Widerstandsbeiwert dimensionsloser Auftriebsbeiwert c c W A F c F c w 0 A 0 A A f(geometrie, Anstellwinkel α, Reynoldszahl, Rauhigkeit k/l, Turbulenzgrad, Fortschrittsgrad der Kavitation σ) 187
23 5.. Außenströmung (/6) Symmetrische Körper ohne Anstellung a.) schlanke Körper (B << L) C 0 * Erklärung der Widerstandsänderung Keine Wandschubspannung infolge der Dampfschicht. Umschlag von laminarer zur turbulenter Grenzschicht verlagert: - höhere Reibungsverluste (c w vergrößert) - Verhinderung der Ablösung (c w verkleinert) c W < *: Superkavitation i 188
24 5.. Außenströmung (3/6) b.) stumpfe Körper (L << B) c W C 0 Lineares c w --Gesetz bei Superkavitation p 0 F v F h p = p(y) p = p v Änderung von durch p 0 (F r ~ p 0 ) p F F c y c y p 0 c 0 v h p p A v i yda p 1 k 0 Fv Fh p0 p c0 A c0 c W v 0 A Formkonstante 1 k 1 k 189
25 5.. Außenströmung (4/6) Gewölbte schlanke Körper 190
26 5.. Außenströmung (5/6) 1 3 c p 1,0 c0 Mit steigendem Fortschrittsgrad der Kavitation Abnahme des Auftriebs (entspricht der eingeschlossenen Fläche beim c p -Verlauf), da auf SS Dampfdruck nicht unterschritten werden kann. Bei Superkavitation treffen sich c pss und c pds nicht bei Null, sondern bei c p (p v ) 0-1,0 -,0 1, c p,min (kavitationsfrei) x/l 191
27 5.. Außenströmung (6/6) L K a v L L K a v 1,0 L c A i c A0 ~ ca0 4 i 19
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