Komplexe Dynamik von Kavitationsblasen an Objekten

Kavitation bezeichnet Bildung und Wirkung von gashaltigen Blasen in Flüssigkeiten. Bei Kavitation in Strömungen und intensiven Ultra- schallfeldern kann der heftige Kollaps dieser Blasen eine enorme Energiekonzentration erzeugen: es kommt zu hohen Temperaturen, che- mischen Reaktionen und Plasmabildung in der Blase, sowie zu starken Druckwellen in der Flüssigkeit. Hierdurch können kollabierende Bla- sen eine sehr destruktive (erodierende) Wirkung auf feste Materia- lien haben, ein großes Problem z.B. bei Schiffspropellern und Pum- pen. Auf der anderen Seite werden Kavitationsblasen in Schallfel- dern bei der Ultraschallreinigung von Oberflächen eingesetzt. Der Blasenkollaps in der Nähe eines Objektes wird von mehreren Phä- nomenen begleitet: die Blase erfährt (zum Teil starke) Deformatio- nen, die bis zur Aufspaltung führen können, es bildet sich ein schneller Flüssigkeitsstrahl (Jet) durch das Blaseninnere, und in der Flüssigkeit bilden sich Wirbel. Alle diese Effekte können sen- sitiv von der Geometrie und den Blaseneigenschaften abhängen. Die Vorgänge sind bemerkenswert kompliziert und bisher nicht vollstän- dig verstanden. Für Erosion bzw. Reinigung von Oberflächen sind u.a. die Jets in Richtung der festen Oberfläche von Bedeutung. Unter normalen Umge- bungsbedingungen haben diese Flüssigkeitsstrahlen eine Geschwindig- keit die größenordnungsmäßig 100 m/s beträgt. Kürzlich haben wir aber gezeigt, dass bei sehr wandnahen Blasen extrem schnelle Jets entstehen können, die mit ca. 1000 m/s sogar noch um einen Faktor zehn schneller sind. Derartige schnelle Jets entstehen durch Kolli- sion von einströmender Flüssigkeit mit sich selbst. Wir vermuten, dass diese besonderen Jets unter einer Reihe von ver- schiedenen Bedingungen, z.B. in unterschiedlichen Geometrien, auf- treten können. Weiters erwarten wir ein ähnlich kompliziertes und zum Teil noch unbekanntes Verhalten auch bei Blasen, die durch ein Schallfeld in Schwingung versetzt werden, während sie sich in der Nähe von Objekten befinden. Zur Aufklärung dieser Fragen zum Blasenverhalten führen wir eine Kombination von experimentellen und numerischen Untersuchungen durch, wobei die Experimente von unserem Kooperationspartner an der Georg-August-Universität Göttingen durchgeführt werden. Experimen- telle Techniken beinhalten die Erzeugung individueller Blasen durch fokussierte Laserpulse sowie Hochgeschwindigkeitsaufnahmen von Bla- senform und Stoßwellen. Die Blasen werden nahe an Objekten ver- schiedener Gestalt platziert, zusätzlich können Schallfelder ange- legt werden. In den numerischen Studien wird die zeitliche Entwick- lung einer Blase berechnet, indem entsprechende Gleichungen für eine Gasblase mit Hilfe eines Computerprogrammes gelöst werden. Die Ergebnisse dieses Projektes sollen zu einem besseren Verständ- nis der Wirkungen von Kavitation führen, welches wiederum für die Optimierung einer Reihe von technischen und medizinischen Anwendun- gen notwendig ist.

Kavitation ist das Auftreten von gasförmigen Hohlräumen (Blasen) in schnellen Flüssigkeitsströmungen (z. B. in der Nähe von Schiffspropellern) oder in starken Ultraschallfeldern. Blasen bilden sich, dehnen sich aus und kollabieren, meist mit Nachschwingungen. Eine heftige Implosion von Blasen kann zu extremen Bedingungen im Inneren der Blase, sowie zu starken Druck- und Stoßwellen in der Flüssigkeit führen. In der Nähe von Grenzflächen, wie z. B. festen Wänden, verformen sich die kollabierenden Blasen. In der Regel bilden sich schnelle Flüssigkeitsstrahlen (Jets), die die Blase durchdringen. Ein weiteres Phänomene im Zusammenhang mit dem Kollaps und der Jetbildung ist z.B. die Bildung von Wirbeln in der Flüssigkeit. Kollabierende Kavitationsblasen können Oberflächen erodieren. Gut kontrollierte Blasenschwingungen hingegen können zur Reinigung von Oberflächen genutzt werden. Die mit dem Kollaps von Blasen einhergehenden Phänomene hängen von den Parametern des Settings ab, wie z. B. Blasengröße, Flüssigkeitseigenschaften oder Geometrie. Es gibt mehrere Mechanismen, die zur Bildung von Jets führen. Von besonderem Interesse hier ist eine Art dünner, sehr schneller Jet. Seine Entstehung wird auf den Selbstaufprall von Flüssigkeit zurückgeführt, die während der Implosion der Blase schnell nach innen strömt. Bei Blasen in der Nähe von ebenen Wänden wurde dieses Phänomen erst in den letzten Jahren entdeckt. Wir stellen fest, dass diese Art von Jet kein isoliertes Phänomen ist, das nur unter ganz besonderen Bedingungen auftritt, sondern häufig vorkommt. Er tritt bei Blasen auf, die in der Nähe von nicht-trivialen Geometrien (wie z. B. oberhalb einer Erhebung) kollabieren, sowie bei Blasen mit einer deformierten Anfangsform. Während dieser schnelle Jet bei millimetergroßen Blasen in Wasser möglicherweise nicht der Hauptfaktor für die Oberflächenerosion ist, können schnelle Jets aus kleineren Blasen oder in viskoseren Flüssigkeiten sehr wohl einen Einfluss haben. Das Phänomen der schnellen, dünnen Jets tritt auch bei akustisch angeregten Blasen auf, die an einer festen Oberfläche oszillieren. Im Allgemeinen ist die Blasendynamik in der Nähe einer Wand unter akustischer Anregung sehr komplex. Blasen zeigen faszinierende Formen. Es kann zu wiederholter Jetbildung und Blasenaufspaltung kommen. Abhängig von den Parametern können sich Blasen zu einem bestimmten Zeitpunkt von der Wand lösen und Jets bilden, die von der Wand weg gerichtet sind, was z. B. für den Abtransport von Material von der Oberfläche von Vorteil wäre. Die Ergebnisse wurden durch eine Kombination aus numerischen und experimentellen Arbeiten erzielt. Die experimentellen Arbeiten wurden von unserem Kooperationspartner an der Georg-August-Universität Göttingen (Deutschland) durchgeführt. Die Ergebnisse des Projekts sind relevant für ein besseres Verständnis der Mechanismen der Erosion sowie der Reinigung von Oberflächen durch Kavitationsblasen. Eine Vielzahl von technischen und auch medizinischen Anwendungen kann von den Erkenntnissen profitieren.