Fluid- und Fertigungseinfluss auf Kavitation

Projektlaufzeit: 2023 - laufend
Fördergeber: AiF-IGF / Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbauer (VDMA)

Das Projekt umfasst die experimentelle und numerische Untersuchung von Fluid- und Fertigungseinfluss auf Kavitation und Kavitationserosion in Pumpen. 

Ziel des Vorhabens ist es, den Einfluss der Oberflächenstruktur auf Kavitation zu untersuchen und die im Vorgängerprojekt „Numerische Vorhersage von Kavitationserosion in Pumpen“ entwickelte 3D-Stömungssimulationsmethode zu erweitern. Wie bereits im Vorgängerprojekt gezeigt wurde, beeinflusst eine künstliche Rauheit das Kavitationsregime, und daher auch die Strömungsaggressivität. Es sollen sowohl generische Rauheiten als auch reale Oberflächen betrachtet werden. Dabei wird die experimentelle Seite des Forschungsvorhabens am Lehrstuhl für Fluidsystemtechnik der TU Darmstadt durchgeführt, während der Fokus des Lehrstuhls für Hydraulische Strömungsmaschinen auf Strömungssimulationen liegt. Durch den kombinierten experimentell-numerischen Ansatz sollen Wirkzusammenhänge zwischen Kavitationserscheinung, Oberflächenbeschaffenheit, Fluidkonditionierung (i.W. Luftgehalt) sowie Kavitationserosion ermittelt werden. 

Als zentraler Testfall wird ein CLE-Hydroprofil (CLE = Circular Leading Edge, siehe Abbildung 1) herangezogen, das bereits in dem Vorgängerprojekt untersucht wurde. Die gewählte CLE-Geometrie hat den Vorteil, dass sie in Experiment und Numerik einfach zu handhaben ist und zugleich der Kontur einer Pumpenschaufel stark ähnelt. Somit liegen für Pumpenströmungen charakteristische Kavitationsformen wie z.B. Schicht- oder Wolkenkavitation und damit ein realistisches Strömungsfeld vor.  Dabei steht auch die industrielle Umsetzbarkeit im Fokus. Dies bedeutet, dass die 3D-Strömungssimulationsmethode mit akzeptablen Rechenzeiten valide Prognosen über den zeitlichen Verlauf der Strömungsaggressivität treffen soll. Mit dem validierten Rechenverfahren soll in dem späteren industriellen Einsatz ein Pumpendesign ermöglicht werden, in dem die Oberflächenstruktur der Pumpenbauteile mitberücksichtigt wird. Dadurch können in Zukunft weitere Fertigungsverfahren wie beispielsweise die additive Fertigung zur Herstellung von Pumpen angewendet werden. Ein weiteres Ziel besteht darin, den Einfluss des Gasgehalts in der Flüssigkeit auf die Kavitation und die damit verbundene Erosion zu untersuchen. Die gewonnenen Erkenntnisse sollen ebenfalls zur Erweiterung der Berechnungsmodelle beitragen. 

Ansprechpartner: Zhenhui Liu