Dynamics of cavitation bubbles in compressible two-phase fluid flow

• Dynamik von Kavitationsblasen im kompressiblen Zweiphasenströmung

Bachmann, Mathieu; Müller, Siegfried (Thesis advisor)

Aachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University (2012, 2013)
Doktorarbeit

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2012

Kurzfassung

Wenn in Flüssigkeiten der Druck unter den Verdampfungsdruck absinkt, dann kommt es zur Verdampfung und es bilden sich Kavitationsblasen aus. Dieser Prozess wird daher auch als Kavitationsprozess bezeichnet. Kavitationsblasen treten bei verschiedenen Anwendungen auf, z.B. bei Schiffsschrauben, wo durch die Rotation der Schraubenblätter die Strömung beschleunigt wird und der Druck im Nachlauf absinkt. Falls diese Blasen in der Nähe von festen Strukturen kollabieren, wobei starke Stoßwellen entstehen und eine enorme Energie in die umgebende Flüsigkeit emittiert wird, dann kann die Struktur geschädigt werden. Schon 1917 hat Lord Rayleigh die Vermutung aufgestellt, dass durch Druckwellen, die durch kollabierende Blasen verursacht werden, Materialschäden an Schiffsschrauben entstehen. Dies wurde später durch experimentelle Untersuchungen anhand von laser-induzierten Kavitationsblasen bestätigt. Als wesentliche Ursache für die Kavitationsschädigung wurde dabei die Ausbildung eines Flüssigkeitsstrahls beobachtet. Obwohl zahlreiche experimentelle Untersuchungen verschiedene Effekte aufdeckten, so konnte bisher aufgrund von Einschränkungen derzeit verfügbarer Messtechniken ein Zusammenhang mit der Kavitationsschädigung nicht befriedigend erklärt werden. Hier können numerische Simulationen zu einem besseren Verständnis der komplexen Dynamik von Kavitationsblasen beitragen. Diese geben Einblick in das mehrdimensionale Strömungsfeld sowohl in der Flüssigkeit als auch im Dampf. Die Durchführung solcher Simulationen stellt aber aufgrund der physikalischen Modellierung, der numerischen Diskretisierung und der experimentellen Validierung eine große Herausforderung dar. Ein weiteres Problem besteht in den derzeit nicht aus dem Experiment genau bestimmbaren Anfangsdaten. Daher ist ein quantitativer Vergleich zwischen numerischen und experimentellen Ergebnissen kaum durchführbar. Im Rahmen dieser Arbeit wird eine genaue Untersuchung und Beschreibung der Wellendynamik in einem durch eine kollabierende Kavitationsblase induziertes Strömungsfeld durchgeführt. Ein besseres Verständnis dieses Prozesses kann neue Einsichten in den kausalen Zusammenhang mit der Materialschädigung ermöglichen, was derzeit experimentell kaum möglich erscheint. Dazu wird in dieser Arbeit ein adaptiver Finite-Volumen-Löser bezüglich Flüssigkeit-Gas-Anwendungen erweitert, wobei Instablitäten an der Phasengrenze vermieden werden. Dieser Löser wird anhand von exakten Lösungen und experimentellen Daten validiert. Dabei werden insbesondere der quasi-eindimensionale rotationssymmetrische Kollaps einer kugelförmigen Blase in einem unbegrenzten Strömungsfeld und die eindimensionale Interaktion einer Stoßwelle mit einer Blase betrachtet. Um die Ergebnisse mit experimentellen Messungen vergleichen zu können, werden geeignete Anfangsdaten benötigt. Dazu wird eine spezielle Initialisierungsstrategie entwickelt. Mit dem validierten Programm werden dann Untersuchungen zur Interaktion einer sogenannten "lithotripter shock wave" mit einer kollabierenden Blase und zum nicht symmetrischen Kollaps einer Gasblase in der Nähe einer festen Wand durchgeführt. Die numerischen Simulationen werden mit Experimenten zu laser-induzierten Kavitationsblasen verglichen, die an der Universität Göttingen durchgeführt wurden. Hochgeschwindigkeitsfotografie, Particle Image Velocimetry (PIV) und Druckmessungen ermöglichen den Vergleich (i) der Blasenkontour und der Wellenausbreitung, (ii) der Strömungsrichtung und der Geschwindigkeit in der die Blase umgebende Flüssigkeit und (iii) des Drucks außerhalb der Blase.