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.