Entwicklung und experimentelle Validierung eines Verfahrens zur Erweiterung der numerischen Kavitationsmodellierung

Durch die Kombination moderner, leistungsfähiger Rechner mit stabiler Kavitations- und Turbulenzmodellierung hat sich die numerische Strömungssimulation zu einem Standardwerkzeug bei der Auslegung und Optimierung von Kreiselpumpen entwickelt. Gängige Kavitationsmodelle können das Kavitationsverhalten von kaltem Wasser sehr gut voraussagen, jedoch aufgrund ihres einfachen Aufbaus keine Einflüsse von erhöhten Gasgehalten oder veränderten Stoffdaten sowie thermodynamischer Effekte berücksichtigen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine geschlossene Methodik entwickelt und mittels statischer und dynamischer Experimente validiert, welche erstmalig durch den Einsatz von zu diesem Zweck eingeführten effektiven Zerreißdrücken bei geeigneter Turbulenzmodellierung die Möglichkeit der Voraussage dieser Effekte bereitstellt. Zu diesem Zweck wurde zunächst ein eindimensionales numerisches Simulationsmodell einer erweiterten Form der Rayleigh-Plesset-Gleichung erstellt, welches die genannten Effekte berücksichtigt. Durch einen Vergleich dieses Modells mit dem im untersuchten CFD-Löser bestehenden Modell wurde dessen Plausibilität überprüft. Über die Defnition eines effektiven Zerreißdrucks, welcher mit dem eindimensionalen Simulationsmodell berechnet wurde, konnte ohne Beeinflussung der numerischen Stabilität ein Eingriff inden Dampfdruck des CFD-Modells vorgenommen werden. Mit dem eindimensionalen Modell wurde durch eine Parametervariation der Einfluss unterschiedlicher Stoffwerte auf den effektiven Zerreißdruck unabhängig voneinander untersucht. In einer speziellen Messapparatur erfolgte anschließend für ausgewählte Flüssigkeiten eine Validierung der berechneten effektiven Zerreißdrücke bei verschiedenen Gasgehalten. Die Übertragung der statischen Ergebnisse auf kavitierende Strömungen erfolgte durch experimentelle und numerische Untersuchungen an einer Düse, eines Strömungsprofils und zweier Kreiselpumpen. Es konnte gezeigt werden, dass der Einsatz der effektiven Zerreißdrücke in allen untersuchten Fällen zu einer deutlich verbesserten Voraussagbarkeit bezüglich der Kavitationsmodellierung führt. Jedoch zeigte sich auch, dass, speziell bei der Verwendung höherviskoser Flüssigkeiten, eine hochwertige Turbulenzmodellierung vorausgesetzt werden muss