Experimentelle Untersuchung und Weiterentwicklung der Maßstabseffekte und des Erosionsmodells der Strömungskavitationserosion

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Peter Rutschmann
• Fachliche Zuordnung: Geotechnik, Wasserbau
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 233552845

Strömungskavitation und ihre erodierende Wirkung auf Bauteile und Anlagen stellen ein gravierendes und noch immer schwer zu kalkulierendes Problem dar. Die empirisch abgeleiteten und bemessungs-abhängigen Verfahren zur Vermeidung von Kavitation in Wasserkraftanlagen können angesichts der mit dem Klimawandel zunehmenden Hochwasserereignisse die Betriebssicherheit nicht garantieren. Vor diesem Hintergrund zielt das vorliegende Forschungsprojekt in interdisziplinärer Zusammenarbeit mit Maschinenbauern auf die Erforschung der Grundlagen für ein Prognoseverfahren der Kavitations-erosion ab. In vorangegangenen Projekten wurden in umfangreichen experimentellen Kampagnen Maßstabsbe-ziehungen der Kavitationserosion ermittelt, insbesondere im Hinblick auf bautechnische Werkstoffe. Da die zugrundeliegenden Mechanismen der Schädigung unklar sind bleiben jedoch auch die Grenzen der Anwendbarkeit offen. Die gängigen Ansätze der mikroskopischen Schädigungsmechanismen einzelner Kavitationsblasen können bisher nicht praktikabel auf die Strömungskavitation übertragen werden. Ein jüngst entwickeltes Erosionsmodell stellt jedoch einen Zusammenhang zwischen der Dynamik des Zweiphasengebiets beziehungsweise der Kavitationswolken und der Aggressivität der kavitierenden Strömung her. Die luftgehaltsabhängig abgeschwächte Druckwelle des kohärenten Kol-lapses einer transienten Kavitationswolke induziert dabei den Mikrojet einer wandnahen Blase. Im vorliegenden Projekt sollen die Dynamik der Kavitationswolken der den Maßstabsbeziehungen zugrundeliegenden Experimente eingehend untersucht und Korrelationen mit dem Erosionsverhalten bestimmt werden. Dabei soll erstmals eine direkte und zeitaufgelöste Erfassung der eigentlichen Kavi-tationswolken erfolgen. Darüber hinaus wird simultan mittels eines neuartigen Echtzeit-Messprinzips die Häufigkeit und Stärke der Mikrojets bei der Strömungskavitation analysiert. Diese experimentellen Beobachtungen sind von großem Interesse für das grundlegende Verständnis des Schädigungsme-chanismus und der Maßstabseffekte. Sie erlauben erstmals die direkte Verifizierung des Erosionsmo-dells.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Slowenien
• Beteiligte Personen: Privatdozent Dr.-Ing. Matevz Dular; Dr.-Ing. Richard Huber