Workshop "Meßtechnik für stationäre und transiente ...

1. Einleitung
ENTWICKLUNG UND EINSATZ EINES
LASER-DOPPELPULSVERFAHRENS ZUR OPTISCHEN
UNTERSUCHUNG DER DYNAMIK VON
KAVITATIONSERSCHEJNUNGEN IN EINER SCHNELL
DURCHSTR~MTEN, PLANAREN DÜSE
Dr.-lng. P. Roosen (Vortragender), DipLPhys. S. Kluitmann
Lehrstuhl für Technische Thermodynamik der RWTH Aachen
Die hydrodynamisch nichttrivale Durchströmung eines Düsenkanals ist ein physikali-
scher Prozeß, der nach wie vor nicht vollständig verstanden ist. Bei den bei motori-
schen Einspritzssystemen in der Regel anzutreffenden Druckgefällen und den damit
verbundenen großen Druckgradienten treten Phasenumwandlungsprozesse auf, die die
strömende Flüssigkeit zum spontanen Ausdampfen veranlassen.
Kavitation wird üblicherweise nur mit Materialschäden an nahegelegenen Wandungen
in Verbindung gebracht. Neben diesem negativen Effekt ist jedoch auch die positive
Wirkung der Kavitation zu sehen: sie stellt eine wirksame Methode zur Mischung bzw.
Homogenisierung von Substanzen dar. Für eine technische Nutzung des Phänomens
Kavitation ist es daher erforderlich, detailliertere Informationen über die Dynamik des
Prozesses zu erhalten. Dies erfordert eine eingehende Untersuchung der verschiede-
nen, am Gesamtprozeß beteiligten Einzelvorgänge.
Technische Düsen besitzen üblicherweise gebohrte, axialsymmetrische Düsenlöcher,
in denen die zu betrachtenden Kavitationsprozesse stattfinden. Entsprechend bilden
sich auch die Kavitationsgebiete axialsymmetrisch zur Spritzlochachse aus und verhin-
dern hierdurch die Untersuchung des Strömungsinnenbereichs [I, 41. Auch heute noch
gehen einige Arbeitsgruppen mit überdimensionierten Modellen und Ähnlichkeitsbe-
trachtungen an diese Problemstellungen heran [3], können auf dieser Basis alterdings
ausschließlich Kenngrößenuntersuchungen vornehmen. Neuere Entwicklungen lassen
zumindest unmittelbar nach Düsenaustritt weitere Einsichten in die Strömungsstruktur
des jungen Sprays erwarten 121.
Gerade die Oberfläche zwischen nicht-kavitierender Fiussigkeit und mit Gasblasen
durchsetztem Spritzlochvolumen ist jedoch für die Untersuchung der Entstehung der
strahlinternen Dynamik von besonderem interesse. Unter gewisser Einschränkung der
Übertragbarkeit von Ergebnissen bietet eine nur in eine Raumrichtung erfolgende
Einschnürung der Kanaktrömung die Möglichkeit, gerade diese Grenzschicht zwischen
Flüssigkeit und Dampf zu studieren. Daher wird von uns eine planare, transparente
Düse zur Untersuchung dieser Phänomene eingesetzt (Bild I), die Im wesentikhen
aus zwei dicken Quarzgfasplatten (33 und (14) besteht, zwischen die eine Stahitamelle
eingelegt wird (rechtes Teilbild i). Sie erm~glicht eine weitestgehend freie Wahl des
Abspritzdruck (I bar bis ca. 200 bar) des bei (5) durch eine der Giasplatten in die
Düse eintretenden Materiats. Der Düsenaustritt (56) fuhrt zu einer Gegsndruckanlage,
die konstante Drücke zwischen I bar und 50 bar einrustelen erlaubt.
Die Wahf der abzuspritzenden Flüssigkeiten ist weiQehend frei, da sowohl die Treib-
gasflasche als auch das Gegendrucksyctem mit inertgacsn betrieben werden kann. Wir