Entwicklung numerischer Modelle zur Vorhersage kavitationsbedingter Geräusche und Erosion in Hydraulikventilen mittels LES

• Applicant: Professor Dr.-Ing. Jochen Fröhlich
• Subject Area: Hydraulic and Turbo Engines and Piston Engines
• Term: from 2010 to 2014
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 175375325

Wesentliche Stellglieder hydrostatischer Antriebe sind Schieberventile mit Steuerkanten. Dort, im Freistrahl, tritt gewollt die größte Strömungsgeschwindigkeit bei vergleichsweise kleinem Druck auf. Nicht gewollt sind dagegen die mit dem Freistrahl verbundenen Schallquellen infolge Turbulenz und Kavitation. Letztere ist darüber hinaus wesentlich für den Ventilverschleiß verantwortlich. Prinz bedingt lässt sich Kavitation in derartigen Bauteilen nicht verhindern. Allerdings ist es wünschenswert, bereits in einer frühen Designphase Aussagen über Schallemission und erwartete Erosionsrate treffen zu können. In der Literatur finden sich einige experimentelle Arbeiten zu den genannten Themen, jedoch fast keine Arbeiten zur numerischen Modellierung von Geräusch und Verschleiß in ölhydraulischen Bauteilen. Derartige Bauteile und das Medium Öl weisen jedoch Besonderheiten auf, die berücksichtigt werden müssen. Beispielsweise ist die bei Ventilströmungen wesentliche Scherschichtturbulenz und Scherschichtkavitation bei Turbomaschinen nachrangig. Ein entsprechendes Simulationsverfahren für Kavitation in Öl würde es ermöglichen, bereits im Konstruktionsprozess Kavitation zu reduzieren, Geräuschbildung zu quantifizieren sowie den Verschleiß vorherzusagen und während des Betriebs Informationen über die Restlebensdauer eines Bauteils zu erhalten. Langfristiges Ziel des Projektes ist die Entwicklung solcher Methoden für Entwurf und Monitoring. Voraussetzung dafür ist die Klärung sehr grundlegender Modellierungsaufgaben, angefangen von der Bestimmung der Fluidstoffwerte bis hin zum Approximationsverfahren für den Gasanteil. Im vorliegenden Projekt kooperieren daher drei Arbeitsgruppen mit entsprechender Kompetenz. Als prototypisch wurde die Strömung durch eine ebene Ventilgeometrie ausgewählt, die von allen Partnern untersucht wird. Am Institut für Fluidtechnik der TU Dresden wird der Versuchträger konstruiert, und es werden Referenzmessungen durchgeführt, um Kavitationszustand, Geschwindigkeitsfeld, Flüssigkeitsschall und Körperschall zu bestimmen. Weiterhin wird die kavitierende Strömung mit aktuellen industriellen Codes simuliert. Das Fachgebiet Fluidsystemtechnik der TU Darmstadt stellt Kompetenz zur Bestimmung der im Allgemeinen nur unzureichend bekannten Stoffwerte in statischer und dynamischer Weise bereit. Hier erfolgt Modellentwicklung an der Einzelblase, die später in die Gesamtmodellierung eingeht. Vor allem werden in Darmstadt Messungen zur Erosion angestellt. Am Institut für Strömungsmechanik der TU Dresden findet numerische Modellierung mit Hilfe der Large Eddy Simulation statt. Sie umfasst Teilmodelle für Kavitation, Ausgasen, Schallerzeugung und -dämpfung sowie Erosion. Die geplanten Experimente ermöglichen eine detaillierte physikalische Beschreibung der Vorgänge. Sie gehen wesentlich über die bisher existierenden, meist auf Experimenten mit Wasser basierenden, Untersuchungen hinaus und stellen eine solide Datenbasis für die Modellierung dar. Andererseits wird die für instationäre Vorgänge besonders geeignete Large Eddy Simulation eingesetzt und weiter entwickelt. Hierdurch werden neue und detaillierte Einblicke in die physikalischen Vorgänge möglich und die zu erwartende Genauigkeit der Vorhersage deutlich verbessert. Bewusst werden auch in der Praxis häufig verwendete statistische Verfahren der Turbulenzmodellierung verwendet, um deren Leistungsfähigkeit für dieselbe Aufgabe zu beurteilen. Ziele der ersten Projektphase sind die Generierung von Referenzdaten sowie Test und Weiterentwicklung von Teilmodellen. In der zweiten Phase sollen diese Teilmodelle vervollständigt und zu einem umfassenden Gesamtmodell vereinigt werden.

• DFG Programme: Research Grants