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.

The combination of modern and powerful computers with stable cavitation and turbulence models has made CFD to a standard tool for design and optimization of centifugal pumps. Common cavitation models are presently able to predit cavitation in cold water very well. Neverthelss, the influence of higher gas content, different thermodynamical properties or the thermodynamic effect can not be accounted for. In this thesis, a closed method for the prediction of these effects was developed and validated by means of static an dynamic experiments, introducing so called effective rupture pressures. At first, a one dimensional numerical simulation model of an extended form of the Rayleigh-Plesset-Equation was created, which takes the mentioned effects into account. By comparison of this model with the existing model in the CFD solver, its plausibility was assured. With the definition of an effective rupture pressure, which can be calculated with the one dimensional model, an intervention in the vapour pressure of the CFD model can be done without affecting its numerical robustness. By parameter variation in the one dimensional model, the influence of different physical properties of the liquids on the effective rupture pressure was independently investigated. In a specially designed measurement device, a validation of the calculated effective rupture pressures was then conducted for several liquids with different gas contents. The transfer of the static results on cavitating flows was conducted by experimental and numerical investigations of a nozzle, a foil and two centrifugal pumps. In all cases, the application of the effective rupture pressure instead of the vapour pressure in combination with good turbulence models lead to a noticeably enhanced predictability of cavitation.