Komplexe Dynamik von Kavitationsblasen an Objekten

• Antragsteller: Dr. Robert Mettin
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung seit 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 361418507

Das Ziel des Projekts ist ein besseres Verständnis der Erosion und der Oberflächenreinigung durch implodierende Blasen. Es ist bekannt, dass bei Kavitation in Strömungen und intensiven Ultraschallfeldern der heftige Kollaps von Blasen eine enorme Energiekonzentration erzeugen kann. Es kommt zu hohen Temperaturen, chemischen Reaktionen und Plasmabildung in der Blase sowie starken Druckwellen. Der Kollaps einer Blase an einem Objekt ist allerdings bemerkenswert kompliziert und bisher nicht vollständig verstanden. In der Nähe einer Grenzfläche wird die Gaskompression begleitet von starken Blasendeformationen, Aufspaltung, schnellen Jetströmungen durch das Blaseninnere, Wirbelbildung und weiteren Phänomenen, die alle sensitiv von der Geometrie und den Blaseneigenschaften abhängen können.In vorangegangener Arbeit haben wir gezeigt, dass unter bestimmten Bedingungen direkt an einer festen Ebene expandierende und kollabierende Blasen extrem schnelle Jetströmungen in Objektrichtung hervorbringen können. Derartige schnelle Jets entstehen durch Kollision der einströmenden Blasenwand mit sich selbst. Ihre Geschwindigkeit von ~1000m/s liegt eine Größenordnung über der von normalen Kollapsjets (~100m/s), wodurch sie für Erosion und Reinigung relevant wären. Erste Arbeitshypothese ist, dass diese besonderen Jets unter einer Reihe von verschiedenen Bedingungen auftreten können. Entsprechendes Projektziel ist die Beobachtung und Charakterisierung von Blasenimplosionen an weiteren Geometrien, insbesondere in Hinblick auf schnelle Jetströmungen. Zweite Hypothese ist, dass ähnliche komplizierte und teilweise unbekannte Blasendynamik auch bei akustisch getriebenen Blasen an Objekten erwartet werden kann. Folglich werden durch Schallfelder angeregte Blasen für eine Reihe von akustischen und geometrischen Parametern in der Nähe von Grenzflächen studiert.Zur Aufklärung dieser Fragen zur Blasendynamik werden fortgeschrittene experimentelle und numerische Untersuchungen durchgeführt. Experimentelle Techniken beinhalten die Erzeugung individueller Blasen durch fokussierte Laserpulse sowie Hochgeschwindigkeitsaufnahmen von Blasenform und Stoßwellen. Die Blasen werden nahe an Objekten verschiedener Gestalt platziert, und zusätzlich können Schallfelder angelegt werden. Numerische Studien verwenden die Finite-Volumen-Methode, die Stoßwellen und Änderungen der Blasentopologie behandeln kann. Experimentelle und numerische Arbeiten sind eng verzahnt. Sie ergänzen sich durch Validierung der Modelle sowie Berechnung von Details, die nicht im Experiment aufgelöst werden. Ergebnisse zum Verhalten von kollabierenden und akustisch getriebenen Blasen an Objekten führen zu einem besseren Verständnis der Wirkungen von Kavitation, welches für die Optimierung von technischen und medizinischen Anwendungen notwendig ist.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Österreich
• Partnerorganisation: Fonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung (FWF)
• Kooperationspartnerin: Dr. Christiane Lechner