Messung und Modellierung von Oberflächenerosion in akustischer Kavitation

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Gunther Brenner; Dr. Robert Mettin
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Verfahrenstechnik ; Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 251713382

Das Projekt untersucht akustische Kavitation, d.h. die Erzeugung, Aktivierung und Wirkung von stark oszillierenden Blasen in intensiven Ultraschallfeldern in Flüssigkeiten. Den wichtigsten anwendungsrelevanten Effekt stellt dabei der heftige Blasenkollaps dar, bei dem Stoßwellen, chemische Reaktionen und Lumineszenz auftreten können. Das zentrale Phänomen der Erosion härtester Materialien durch Kavitation ist eng mit den extremen Druck- und Temperaturwerten verknüpft, die beim Kollaps direkt am Material auftreten.Das Projekt ist ein Anschluss an die bisherigen Arbeiten zu „Messung und Modellierung von Blasenpopulationen in akustischer Kavitation“, wobei Kavitation in der freien Flüssigkeit und in einfachen Geometrien untersucht wurde. Nun werden die experimentellen und numerischen Methoden auf realistischere Bedingungen erweitert, in denen feste Objekte und deren Oberflächen sowie komplexere Flüssigkeiten auftreten. Zielanwendungen sind Oberflächenreinigung sowie kavitationsunterstützte Metallerosion in Säuren im Zusammenhang mit Recycling.Der experimentelle Teil des Projekts wird an der Georg-August-Universität Göttingen durchgeführt, während die numerischen Arbeiten an der TU Clausthal angesiedelt sind. Die Experimente umfassen Kavitationsstudien im Frequenzbereich von 20 bis 50 kHz und in Flüssigkeiten mit variabler Oberflächenspannung und erhöhter Viskosität, wozu Hochgeschwindigkeitsaufnahmen und Messungen des Schallfeldes, von auftretender Lumineszenz sowie von Materialerosion eingesetzt werden. Der Kern der Untersuchungen ist mit dem Verhalten von Kavitation bei Anwesenheit fester Objekte befasst, deren Größe etwa von der Schallwellenlänge bis 1/15 davon skalieren. Hierzu werden künstliche Blasenquellen und eine kontrollierte Wechselwirkung der Blasen mit den Objekten experimentell realisiert, wobei Geometrie und Flüssigkeitsparameter variiert werden. Der Fall einer größeren Anzahl fester Objekte wird unter Festbett- und Wirbelbett-Bedingungen untersucht. Dabei werden die Ausbreitung und Streuung des Schalls, die Ausdehnung und Strukturierung der Kavitation sowie die Blasenaktivität an den Objekten erfasst und optimiert. Die numerischen Arbeiten erweitern die bisher entwickelten Codes für Schallausbreitung und Dämpfung in kavitierenden Flüssigkeiten. Blasen-Blasen- und Blasen-Objekt-Wechselwirkungen werden einbezogen, um eine realistischere Beschreibung der akustischen Kavitation unter Anwesenheit vieler fester Objekte zu erreichen. Modelle zur Vorhersage der Oberflächenerosion werden weiterentwickelt und mit Einzelblasenrechnungen justiert. Die Simulationen werden erweitert, so dass sie fixierte oder bewegliche feste Objekte in der Flüssigkeit erfassen. Die numerischen und experimentellen Ergebnisse werden fortlaufend verglichen, so dass die wesentlichen Effekte in die Modelle einfließen können. Ziel ist eine kohärente Beschreibung der anwendungsrelevanten Dreiphasensysteme von Flüssigkeit, festen Objekten und Kavitationsblasen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen