Institut für Fluidsystemtechnik Vorlesung Kavitation WS 2010/11. Dr.-Ing. Gerhard Ludwig
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1 Institut für Fluidsystemtechnik Vorlesung Kavitation WS 2010/11 Dr.-Ing. Gerhard Ludwig
2 Inhaltsübersicht - Vorlesung Kavitation 1 Einführung 2 Physikalische Grundlagen 3 Untersuchungen zum Kavitationsbeginn 4 Fortgeschrittene Kavitation 5 Auswirkungen der Kavitation 19. Oktober 2010 Dr. Ludwig Vorlesung Kavitation WS 2010/11 2
3 Bücher zur Vertiefung des Stoffes der Vorlesung Kavitation KNAPP/DAILY/HAMMIT Cavitation McGraw-Hill Book Company ISAY Kavitation Schiffahrts-Verlag Hansa C Schroedter & Co. YOUNG Cavitation McGraw-Hill Book Company BRENNEN Cavitation and Bubble Dynamics McGraw-Hill Book Company LECOFFRE La cavitation Hermes Verlag Paris FRANC/MICHEL Fundamentals of Cavitation Springer Netherlands 19. Oktober 2010 Dr. Ludwig Vorlesung Kavitation WS 2010/11 3
4 Inhaltsübersicht - Kapitel 1 Einführung 1.1 Definition des Begriffs Kavitation 1.2 Kavitation - Technische Bedeutung 1.3 Formen der Kavitation 1.4 Hydrodynamische Ursachen für das Entstehen von Kavitation Innenströmung Außenströmung Orte möglicher Kavitation in einer Kreiselpumpe 1.5 Einflussparameter auf den Kavitationsbeginn Beispiel Zugspannungsfestigkeit Beispiel Strahl-Vermischungszone 19. Oktober 2010 Dr. Ludwig Vorlesung Kavitation WS 2010/11 4
5 1.1 Definition des Begriffs Kavitation (1) Örtliche begrenzte Phasenänderung in Flüssigkeiten infolge hydrodynamischer Druckabsenkung (d.h. in Verbindung mit Bewegung) von flüssig nach gasförmig. Entstehung von dampf- und gasgefüllten Hohlräumen (= cavities ). Gegensatz: Kochen oder Sieden Verdampfung hervorgerufen durch Wärmezufuhr oder Absinken des statischen Druckes in der Flüssigkeit. Die entstandenen Dampfblasen werden von der Strömung mitgenommen und fallen implosionsartig zusammen, wenn der Druck wieder über den Dampfdruck ansteigt. Der vollständige Vorgang besteht aus Verdampfung und Rückkondensation. 19. Oktober 2010 Dr. Ludwig Vorlesung Kavitation WS 2010/11 5
6 1.1 Definition des Begriffs Kavitation (2) Siedevorgang Kochen Druckabsenkung z.b. in Rohrleitung 19. Oktober 2010 Dr. Ludwig Vorlesung Kavitation WS 2010/11 6
7 1.2 Kavitation Technische Bedeutung (1) Historie Im Jahre 1895 erreichte ein neuer Zerstörer der englischen Marine seine vorgesehene Geschwindigkeit nicht. Der Grund dafür wurde in dampfgefüllten cavities auf der Propellerschaufel vermutet. Erste grundsätzliche Untersuchung zur Kavitation an Schiffpropellern von Sir Thornycroft und Barnaby. Sir Charles Parsons baut 1895 den ersten Kavitationskanal zur Untersuchung von Kavitationsphänomenen an Schiffspropellern Um die Jahrhundertwende wurden mit steigender Antriebsleistung der Schiffspropeller in zunehmenden Maße starke Materialzerstörungen an den Schaufeln festgestellt. Bereits 1754 sagte Leonhard Euler anhand theoretischer Betrachtungen das mögliche Auftreten von Kavitation vorher. 19. Oktober 2010 Dr. Ludwig Vorlesung Kavitation WS 2010/11 7
8 1.2 Kavitation Technische Bedeutung (2) Erster Kavitationskanal gebaut von Sir Charles Parsons (1895) 19. Oktober 2010 Dr. Ludwig Vorlesung Kavitation WS 2010/11 8
9 1.2 Kavitation Technische Bedeutung (2) Auswirkungen Ausbildung einer Zweiphasenströmung, wodurch sich der freie Querschnitt einer Strömungsmaschine verengt. - Veränderung in der Kennlinie der Maschine (Wirkungsgradabfall, Förderhöhenabnahme). Auftreten starker Schwingungen. Auftreten erheblicher Geräusche. Werkstoffzerstörung infolge der bei der Blasenimplosion (d.h. der Rückkondensation) auftretenden hochfrequenten Druckstöße. 19. Oktober 2010 Dr. Ludwig Vorlesung Kavitation WS 2010/11 9
10 1.2 Kavitation Technische Bedeutung (3) Nutzen der Kavitation Oberflächenreinigung mit Ultraschall durch Ausnutzung der Aggressivität bei der Implosion schallinduzierter Blasen Flüssigkeitsstrahl zum Zerschneiden vom Materialien Wasserstrahlschneiden mit Hilfe von Kavitation optimiert. Intensivierung von Vermischungsprozessen, z.b. in der Lebensmittelindustrie, Herstellung von Emulsionen. Verbesserung der Zerstäubung bei Kraftstoff-Einspritzdüsen Abwasserreinigung und -behandlung, kalte Verdampfung und Extrak-tion von Kohlenwasserstoffen aus verunreinigtem Wasser. Zerstörung schädlicher Mikroorganismen (z.b. Reinigung von Ballastwasser bei Tankschiffen) Lithotripsie (Zertrümmerung von Nieren- und anderen Steinen) Lokale und räumlich begrenzte Freisetzung von therapeutischen Wirkstoffen im menschlichen Organismus mit Hilfe schallinduzierter Kavitation 19. Oktober 2010 Dr. Ludwig Vorlesung Kavitation WS 2010/11 10
11 1.3 Formen der Kavitation (1) Einzelblasenkavitation Spitzenwirbelkavitation 19. Oktober 2010 Dr. Ludwig Vorlesung Kavitation WS 2010/11 11
12 1.3 Formen der Kavitation (2) Streifenkavitation Spitzenwirbelkavitation 19. Oktober 2010 Dr. Ludwig Vorlesung Kavitation WS 2010/11 12
13 1.3 Formen der Kavitation (3) 19. Oktober 2010 Dr. Ludwig Vorlesung Kavitation WS 2010/11 13 Einzelblasenkavitation
14 1.3 Formen der Kavitation (4) 19. Oktober 2010 Dr. Ludwig Vorlesung Kavitation WS 2010/11 14 Schichtkavitation
15 1.3 Formen der Kavitation (5) Wirbelkavitation in einer Scherschicht 19. Oktober 2010 Dr. Ludwig Vorlesung Kavitation WS 2010/11 15
16 1.3 Formen der Kavitation (6) 19. Oktober 2010 Dr. Ludwig Vorlesung Kavitation WS 2010/11 16 Superkavitation
17 1.3 Formen der Kavitation (7) Instationäre Wolkenkavitation 19. Oktober 2010 Dr. Ludwig Vorlesung Kavitation WS 2010/11 17
18 1.3 Formen der Kavitation (8) Instationäre Wolkenkavitation 26. Oktober 2010 Dr. Ludwig Vorlesung Kavitation WS 2010/11 18
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