Energie Fokussierung von Kavitationsblasen in Strömungen nahe einer Grenzfläche

Kavitationsblasen sind kalte Dampfblasen, die h ̈aufig in schnellen Str ̈omungen auftreten. Nachdem solch eine Blase auf ein maximales Volumen aufgeschwungen ist, implodieren sie wieder. W ̈ahrend dieses so genannten Kollapses b ̈undeln die Kavitationsblasen die kinetische Energie der Fl ̈ussigkeit f ̈ur kurze Zeit auf ein kleines Volumen. Dabei entstehen lokal hohe Temperaturen und sehr Dr ̈ucke. Wenn der Kollaps der Blase in der N ̈ahe einer starren Struktur, z. B. eines Tragfl ̈ugels oder der Schaufeln einer Pumpe, geschieht, k ̈onnen deren Oberfl ̈achen erodiert werden. Der F ̈ahigkeit von Kavitationsblasen, Energie zu b ̈undeln, ist bereits viel wissenschaftliche Aufmerksamkeit geschenkt worden. Dennoch, wurde dabei auf die Wirkung einer externen Str ̈omung nur wenig eingegangen. Unsere j ̈ungsten Ergebnisse zeigen jedoch, dass leichte Asymmetrien w ̈ahrend des Kollapses, die z. B. durch ein Hintergrundstr ̈omung bestimmt wird, die Energiefokussierung drastisch verst ̈arken k ̈onnen. Obwohl die meisten Kavitationsph ̈anomene in realen Anwendungen in Gegenwart einer Str ̈omung auftreten, wurde deren Auswirkung auf die En- ergiefokussierung und insbesondere auf die Erosion bisher nicht auf der Ebene einer einzelnen Blase untersucht. Im vorliegenden Antrag wollen wir die Bedeutung von Str ̈omungen auf einzelne Blasen, die in der N ̈ahe von starren Grenzfl ̈achen kollabieren, aufkl ̈aren. Zu diesem Zweck setzen wir Kavitationsblasen zwei Arten von Str ̈omungen aus: einer Staupunktpunktstr ̈omung, die durch einen Wandstrahl realisiert wird, und einer druckgetriebenen Scherstr ̈omung. Die Untersuchungen der Scherstr ̈omungen werden in eine simple planare Str ̈omung und eine radial expandierende Scherstr ̈omung unterteilt. Methodisch werden wir Hochgeschwindigkeitsaufnahmen, akustische Messungen mit hoher Bandbreite, achsensymmetrische Volume-of-Fluid-Simulationen und die Analyse des erodierten Volumens mit einem konfokalen Laserscan- ning Mikroskop verwenden. Wir wollen verstehen, wie eine Str ̈omung die Energiefokussierung beein- flusst, also ob solche Str ̈omungen die Kavitationserosion verhindern oder verst ̈arken. Die Auswirkungen dieser Erkenntnisse w ̈aren weitreichend. Sie k ̈onnten die Kavitationserosionsmodelle in der numerischen Str ̈omungsmechanik anleiten, um realistischere Vorhersagen f ̈ur die Integrit ̈at des Werkstoffs zu erzielen. Auch f ̈ur die Auslegung kavitationsanf ̈alliger Str ̈omungen, z. B. bei D ̈usen, Propellern, Kr ̈ummern in Rohrstr ̈omungen oder sogar f ̈ur die Umstr ̈omung von k ̈unstlichen Herzklappen, w ̈are es von Vorteil, wenn man w ̈usste, wie Erosion bei Str ̈omung vermieden werden kann. Hier wollen wir nicht vergessen, dass durch eine Energien B ̈undelung sich auch positive Effekte erzielt lasen, wie zum Beispiel bei der Erzeugung von Nanopartikeln, dem kavitationsbasierten H ̈arten (peeing) von Werkstoffen oder durch eine Erho ̈hung der Effizienz in sonochemischen Reaktoren. Wir sehen diesen Antrag als einen wichtigen ersten Schritt zum Verst ̈andnis von Kavitationserosion in realen Str ̈omungen.

Energy Focusing of Cavitation Bubbles in Flows near Boundaries

Cavitation bubbles are mostly empty bubbles that frequently occur in high-speed liquid flows. After reaching a maximum volume, they shrink in an accelerated fashion. During this so-called collapse, cavitation bubbles focus the kinetic energy of the liquid, giving rise to localized high temperatures and pressures. If this occurs near a rigid structure, i.e. a hydrofoil or the blades of a pump, they may be eroded. Although the ability of cavitation bubbles to focus energy has received a lot of scientific attention, the effect of an external flow on this phenomenon has hardly been investigated. Yet our recent findings point out that slight asymmetries during the collapse, e.g. due to a background flow, can enhance the energy focusing drastically. Although most cavitation occurrences in real-world applications are in the presence of a flow, their effect on the energy focusing and in particular on erosion has not been studied on a single bubble level. In the present proposal, we want to elucidate the importance of flows on bubbles collapsing near rigid boundaries. For this, we expose cavitation bubbles to two kinds of flows: a stagnation point flow induced by a submerged wall jet, and pressure driven shear flows. The shear flows studies are split into a simple planar flow and a radially expanding shear flow. We will utilize high-speed imaging, high bandwidth acoustic measurements, axisymmetric Volume-of-Fluid simulations, and analysis of the eroded volume with confocal laser scanning microscopy. The aim is to understand how a flow affects the energy focusing, thus if certain flows prevent or enhance cavitation erosion. The implications of such findings would be significant. They could guide cavitation erosion models in computational fluid dynamics for more realistic effects of single bubble collapse. Also, the design of cavitation-prone flows such as through narrow constrictions of nozzles, propellers, flow bends, or even for artificial heart valves would benefit from the understanding of how to avoid erosion. More importantly, adding a background flow could help to enhance energy focusing to achieve beneficial effects from cavitation. This could be nanoparticle generation, cavitation peening of materials, or increased efficiency in sonochemical reactors. Thus, we see this proposal as a starting point in a research field that has limited activities so far, but yet has high impact potential.