DE2704444A1

DE2704444A1 - Verfahren zur simulierung von kavitationseffekten an einem modell in fluessigkeiten

Info

Publication number: DE2704444A1
Application number: DE19772704444
Authority: DE
Inventors: Yves Lecoffre
Original assignee: Cegelec SA
Current assignee: Cegelec SA
Priority date: 1976-02-10
Filing date: 1977-02-03
Publication date: 1977-08-11
Also published as: US4084432A; JPS52119286A; FR2341170B1; DE2704444C2; GB1574473A; FR2341170A1

Description

Fo IO 318 D

Feb. 1977

70U44

SOCIETE GENERALE DE CONSTRUCTIONS ELECTRIQUES

ET MECANIQUES ALSTHOM S.A. 38, avenue Kleber, 75784 PARIS CEDEX 16 Frankreich

VERFAHREN ZUR SIMULIERUNG VON KAVITATIONS-EFFEKTEN AN EINEM MODELL IN FLÜSSIGKEITEN

Bei der Untersuchung in strömenden Flüssigkeiten ist es zur Simulierung von Kavitationseffekten durch voneinander getrennte Bläschen in einem Modellversuch, bei dem Wirkungen ähnlich denen eines die gleiche Anzahl von Kavitationen aufweisenden Gegenstands entstehen, wünschens wert, in einem genau bestimmten Bereich des Modells einen Mikrobläschengehalt herbeizuführen, bei dem die Anzahl von Bläschen pro Volumeneinheit einstellbar ist, deren Verteilung gleichmäßig erfolgt und deren Abmessung kleiner als 2OO Mikron ist.

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Mikrobläschen kann man an deren Abgabepunkt erzeugen, indem eine mit gelösten Gasen angereicherte Flüssigkeit entspannt wird.

Das Einspeisen der kontinuierlich durch Entspannung erzeugten Mikrobläschen in die Flüssigkeit der Versuchsanordnung muß vor dem Modell erfolgen. Dort ist ein Verteiler vorzusehen, mit dem die Mikrobläschen in Höhe des Modells homogen in der Flüssigkeit verteilt werden können.

In der Anordnung zur Erzeugung der Mikrobläschen muß der Abstand zwischen dem eigentlichen Bläschenerzeugungsbereich und der Stelle der Einspeisung ausreichend klein sein, damit die Entstehung von großen Bläschen durch Entgasung während des Durchlaufens dieser Strecke vermieden wird. Meist werden deshalb die Mikrobläschen ganz in der Nähe des Einspeisepunkts erzeugt.

Durch die Erfindung gemäß Hauptanspruch wird die Aufgabe gelöst, eine beliebige Einstellung der Bläschendichte und der Bläschendimensionen in Höhe des Modells zu ermöglichen.

Der Einspeisepunkt für die Mikrobläschen in der Versuchsanordnung wird so gewählt, daß einerseits die Bläschen nicht vollständig durch Gasdiffusion verschwinden, bevor sie den Versuchsabschnitt erreichen, und daß andererseits ihre Größe, die sich unter den kombinierten Einwirkungen der Gasdiffusion und des Drucks ändert, im Versuchsbereich unter 2OO Mikron liegt.

Zur Erfüllung dieser Bedingungen, die von der Geometrie der Versuchsanordnung, von den dort herrschenden Drücken und

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Geschwindigkeiten sowie von der Länge des in der Flüssigkeit der Versuchsanordnung gelösten Gases abhängen, kann der optimale Abstand zwischen dem Einspeisepunkt und dem Versuchsabschnitt auf einen Wert geschätzt werden, der zwischen mehreren zehn und mehreren hundert Zentimetern liegt.

Dieser Abstand wird für jeden Einzelfall durch Anwendung der folgenden Formel errechnet :

^ » KIi 4 TT R²Hi (Prefi - Pi) Diese Formel gibt den Masseverlust mi in Abhängigkeit von der Zeit t für das Gas i an, das einen der Bestandteile (oder den einzigen Bestandteil) des Bläschens bildet, in Abhängigkeit von :
KIi Flüssigkeitsfilmkoeffizient an der Wandung des Bläschens

für das betrachtete Gas,
R Radius des Bläschens,
Hi die Henrykonstante für das betrachtete Gas und die in der Versuchsanordnung enthaltene Flüssigkeit,

Ci
Prefi Verhältnis rrr der Konzentration des Gases i in der

Flüssigkeit zur Henrykonstante,
Pi Teildruck des Gases i im Bläschen.

Mit Hilfe dieser Formel kann die Entwicklung des Radius (R) jedes Bläschens in der Versuchsanordnung bestimmt werden.

Auf diese Weise kann der optimale Einspeisungsbereich herausgefunden werden, durch den sichergestellt wird, daß in den Modellbereich Mikrobläschen gelangen, deren GröBe unter 200 Mikron liegt und deren Anzahl einstellbar ist.

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Nachfolgend werden verschiedene Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden vier Figuren näher beschrieben.

Fig. 1 stellt schematisch eine Versuchsanordnung für strömende Flüssigkeiten gemäß der Erfindung dar.

Fig. 2 zeigt eine Einzelheit eines Verteilers für Mikrobläschen.

Fig. 3 zeigt schematisch eine Versuchsanordnung für stehende Flüssigkeiten.

Fig. 4 zeigt im einzelnen die Einspeisevorrichtung der Versuchanordnung aus Fig. 3.

Fig. 1 zeigt eine Versuchsanordnung mit einem Ringbecken 7 , in dem Wasser 11 von einer Schraube 12 um ein Modell 10 herum in umlauf versetzt wird. Aus einem Behälter kann man das Wasser zur Erzeugung von Mikrobläschen mit Gas anreichern. In diesen Behälter werden einerseits Wasser 2 und andererseits unter Druck stehende Luft 3 eingeführt und dann miteinander gemischt, um am Ausgang 4 eine mit gelöster Luft angereicherte Flüssigkeit zu erhalten.

In einer Vorrichtung 5 wird diese Flüssigkeit entspannt, wobei Mikrobläschen entstehen. Diese an Mikrobläschen sehr reiche Flüssigkeit wird dann an der Stelle 6 in das Ringbecken 7 mit Hilfe eines Verteilers 8 eingespeist.

Die auf diese Weise verteilten Bläschen werden im Ringbecken 7 in Richtung des Pfeils Fl zum Modell IO zur Untersuchung einer Kavitation 9 mitgerissen.

Die Regelung der Größe und der Anzahl der Bläschen erfolgt entweder durch Einwirken auf die Menge des im Behälter

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in der Flüssigkeit gelösten Gases oder durch teilweises Absperren der Bläschenzufuhr vor oder hinter der Entspannungsvorrichtung 5.

Stromabwärts vom Modell kommt es zu einer Resorption der Bläschen, so daß diese verschwinden, bevor die Flüssigkeit von neuem den Einspeisebereich 6 erreicht.

Vorzugsweise wird der Abstand zwischen der Entspannungsvorrichtung 5 für die Mikrobläschen und dem Einspeisebereich 6 möglischt kurz gehalten.

Der Abstand zwischen dem Einspeisepunkt 6 und der Kavitation 9 wird zuvor mit Hilfe der bereits oben angegebenen nachstehenden Formel berechnet t

-^i « KIi 4 TtR² Hi (Prefi - Pi) dt

Beispiel : Für ein einziges Gas und die folgenden Kennwerte t

KIi - 1,5 . 1O"⁴ m/s
Hi = 0,5 . 10~⁶ kg/m³/Pa
Prefi = 0
Pi = 10⁵ Pa
R initial = 1O~⁴ m

und ohne Berücksichtigung der Oberflächenspannungswirkungen erhält man :

H = -5— · 1,5· 1O"⁴ ■ 0,5 · 1O"⁶ 1O"⁵ H= 0,58 10~⁵ m/s

Dies ergibt eine Zeit td von 20 Sekunden für das Ver schwinden eines Bläschens mit einem anfänglichen Radius von 100 Mikron.

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Bei einer Strömungsgeschwidnigkeit V von 1 m/s bei konstantem Druck muB der Abstand zwischen dem Einspeisepunkt 6 und dem Versuchsabschnitt 9 kleiner als 1 » V. td

sein. Im vorliegenden Fall bedeutet dies : 1 β 20 m

In Fig. 2 wird eine bevorzugte Ausführungsform eines Bläschenverteilers dargestellt, bei dem die die Bläschen erzeugende Entspannung und deren Einspeisung und Verteilung gleichzeitig am Einspeisepunkt 6 im Ringbecken 7 erfolgt.

Diese kombinierte Entspannungs- und Verteilungsvorrichtung 21 enthält kleine Blenden 13, deren Durchmesser

zwischen -rrr mm und 2 mm liegt und die zu einer Kavitationsentspannung führen.

Diesen Blenden sind kleine Rohre 14 nachgeschaltet, deren Durchmesser zwei- bis zehnmal so groß wie der der Blenden ist. Die Mikrobläschen entstehen dann im Bereich 15 unmittelbar am stromabwärtsgelegenen Ende der kombinierten Bntspannunga-Verteilungsvorrichtung.

Die Länge dieser Rohre beträgt etwa das 100-fache des Blendendurchmessers.

Fig. 3 zeigt eine Ausführung der Erfindung für den Fall von Strömungsversuchen in einem Becken mit stehendem Wasser, in dem ein Modell bewegt wird.

In diesem Fall muß das Einspeisen der Bläschen auf dem Beckenboden in sehr guter Verteilung erfolgen. Hier wird ein mit einer Flüssigkeit gefülltes Versuchsbecken 16 gezeigt.

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auf dem ein in Längsrichtung des Beckens verschiebbarer Wagen 17 angeordnet ist, der das zu untersuchende Modell trägt.

Auf dem Boden des Beckens ist eine Leitung 19 angeordnet, die mit Löchern 20 versehen ist und sich über die gesamte Länge des Beckens erstreckt. Sie wird im einzelnen in Fig. 4 dargestellt.

In dieser Figur läßt sich die Leitung 19 mit ihren Löchern 20 sowie die die Mikrobläschen erzeugende Entspannungsvorrichtung erkennen, die aus Blenden 13 mit nachfolgenden Rohren 14 besteht. Die an den Rohren 14 gebildeten Mikrobläschen treten über die Gesamtlänge des Beckens 16 hinweg durch die Löcher 20 der Leitung 19 aus und sorgen für eine gut verteilte Einspeisung der Bläschen über die gesamte Länge des Beckens in Höhe seines Bodens.

Die von den Bläschen im Becken zum Modell 18 zurückgelegte Wegstrecke wird durch den Abstand zwischen Leitung und Modell gegeben. Dieser Abstand wird auf dieselbe Weise wie beim Beispiel gemäß Fig. 1 bestimmt, um in Höhe des Modells Mikrobläschen gewünschter Abmessungen zu erhalten. Die hierbei zugrunde gelegte Geschwindigkeit ist dann die Aufstiegsgeschwindigkeit der Bläschen.

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Leerseite

Claims

PATENTANSPRÜCHE

1 j- Verfahren zur Simulierung von Kavitationseffekten an einem Modell in Flüssigkeiten, dadurch gekennzeichnet, daß man im Bereich (9) des Modells (10) im Versuchsbecken einen Mikrobläschengehalt erzeugt, bei dem die Anzahl von Mikrobläschen pro Volumeneinheit einstellbar ist und diese Mikrobläschen gleichmäßig verteilt werden und ihr Durchmesser unter 200 Mikron bleibt.

2 - Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellung der Bläschendichte in der Versuchsflüssigkeit dadurch erfolgt, daß auf das in der Flüssigkeit, in der durch Entspannung die Mikrobläschen erzeugt werden, gelöste Gas eingewirkt wird.

3 - Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellung der Bläschendichte in der Versuchsflüssigkeit dadurch erfolgt, daß teilweise der Flüssxgkeitsdurchsatz stromaufwärts eines Verteilers (8) gesperrt wird, der für die gleichmäßige Verteilung der Mikrobläschen in der Versuchsflüssigkeit sorgt.

4 - Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrobläschen gewünschter Abmessungen in der Flüssigkeit in Höhe des Modells (10) bei strömender Flüssigkeit (11) dadurch erzeugt werden, daß der

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Abstand zwischen dem Einspeisepunkt (8) der Mikrobläschen und dem Modell (10) in Abhängigkeit von der Menge des in der Flüssigkeit des Versuchskreis gelösten Gases, von der Art dieses Gases und von der Art der Flüssigkeit sowie von den Druck- und Geschwindigkeitsbedingungen in der strömenden Flüssigkeit bestimmt wird.

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