O+P Fluidtechnik 4/2018

SIMULATION
FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG PEER REVIEWED
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UU ∞ , cc ∞
UU ∞ , cc ∞
Anwendung des Ausgasungsmodells auf eine Rohrströmung
3.2 AUSGASUNG IN EINER MIKROBLENDE
A
High-Speed Visualisierung des Anhaftens einer Gasblase an einem Rauheitselement.
Die Strömung verläuft von oben nach unten. Der zeitliche Abstand
zwischen den Aufnahmen beträgt 0,2 ms. Das Rauheitselement hat eine Größe
von 0,15 mm. Die Flüssigkeit ist Silikonöl mit einer Viskosität von 20 cSt
Anwendung des Ausgasungsmodells auf eine Mikroblendenströmung
pp 1
pp 2
A
ll
Im zweiten Anwendungsbeispiel wird eine durchströmte Mikroblende
mit Durchmesser D = 0,2 mm und Länge l = 2 mm
betrachtet, siehe Bild 06. Die Blende entspricht in ihren Dimensionen
der von Freudigmann et al. [Fre16; Fre17] in Experimenten
vermessenen Mikroblende. Die verwendete Flüssigkeit ist das
Versuchsöl Shell V-Oil 1404. Bei einem Vordruck von 60 bar beträgt
der Flüssigkeitsmassenstrom 2 g/s. Die Dichte ist 826 kg/m 3 .
Die Flüssigkeit ist bei atmosphärischem Druck gesättigt und die
Löslichkeit beträgt Λ = 0,12. Vereinfachend wird angenommen,
dass die Flüssigkeit die Blende mit einem Blockprofil durchströmt.
Die Strömungsgeschwindigkeit in der Blende beträgt
dann 77 m/s.
DD
DD
pp 3
DETAIL A
ll
DETAIL A
Mit Gl. (13), b = π D und der Abschätzung
c N
/ c ∞
→ 0 also ζ / (ζ + 1) → 1 folgt für den
Massenanteil ξ = 5 × 10 –3 . Vor dem Hintergrund
experimenteller Ergebnisse, vgl. [Fre16], ist der
berechnete Wert plausibel. Die Experimente
von Freudigmann et al. zeigen, dass der Ausgasungsvorgang
stark vom Gegendruck der
Blende abhängt und der Massenanteil mit
abnehmendem Gegendruck ansteigt. Die
gemessenen Massenanteile liegen zwischen 10 –3
bei 4 bar und 10 –1 bei 2 bar Gegendruck. Eine
Zunahme des Massenanteils bei abnehmendem
Druck kann zumindest teilweise mit der Zunahme
der Oberfläche durch die Volumenzunahme
erklärt werden. Insbesondere ist hier das Gas,
das in Wirbeln hinter der Blende eingefangen
wird, von besonderen Bedeutung. Effekte, die
primär die Ausbildung der Strömung und nicht
den Ausgasungsvorgang an sich betreffen, werden
natürlich nicht im Modell abgebildet. Diese
Aspekte sind Gegenstand aktueller Forschung.
In zukünftigen Untersuchungen soll das vorgestellte
Ausgasungsmodell außerdem mit
weiteren experimentell gewonnenen Daten
validiert werden. Durch experimentelle Untersuchungen
sollen ebenfalls genauere Aussagen
zu der Oberfläche der Phasengrenzfläche
möglich werden. Langfristiges Ziel ist die
Implementierung des Modells in verfügbare
Strömungslöser. Auf diese Weise wird die im
Sinne der VDI 2221 notwendige Berechenbarkeit
des Maschinenelements Öl weiter verbessert.
ZUSAMMENFASSUNG
Das Ausgasen von Flüssigkeiten in technischen
Fluidsystemen ist aufgrund weitreichender
negativer Auswirkungen ein für
den sichereren und effizienten Betrieb hydraulischer
Komponenten bedeutendes Thema.
Derzeit verfügbare Modellierungsansätze
erlauben die Abschätzung von Ausgasungsvorgängen
in Behältern oder Tanks, versagen
jedoch bei der Beschreibung von Blasenbildung
an umströmten Phasengrenzflächen.
Blasenbildung an Grenzflächen zwischen
Flüssigkeit und Gas, den sogenannten Keimstellen,
ist der in technischen Systemen am
häufigsten vorkommende und damit relevanteste
Ausgasungsmechanismus.
Der vorliegende Artikel präsentiert neue
Erkenntnisse zur Ausgasung in technischen
Fluidsystemen und zeigt die Relevanz für technische Anwendungen
der Ölhydraulik auf. Auf Basis des vorgestellten Ausgasungsmodells
können Berechnungen der Massen- und Volumenstromanteile der
frei werdenden Gase in strömenden Flüssigkeiten durchgeführt
werden. Im Gegensatz zu den vorhandenen 0D-Modellen werden im
vorgestellten Modell keine empirisch zu ermittelnden Parameter
verwendet. Die in dem Modell verwendeten Größen (Keimstellenanzahl,
Oberfläche der Phasengrenzfläche) sind zwar in der Regel
unbekannt, aber dennoch physikalisch motiviert und damit messbar.
Wird das vorgestellte Modell von Entwicklern entsprechender
Software berücksichtigt, können zukünftig genauere Auslegungsrechnungen
durchgeführt werden. Die Anwendung des Ausgasungsmodells
verbessert das Systemverständnis und ermöglicht
die Entwicklung verbesserter Komponenten und Systeme.
PHASENGRENZFLÄCHE
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