Kavitation
Kavitation ist ein Phänomen, bei dem der statische Druck einer Flüssigkeit unter den Dampfdruck der Flüssigkeit sinkt, was zur Bildung kleiner dampfgefüllter Hohlräume in der Flüssigkeit führt. Bei höherem Druck kollabieren diese Hohlräume, die "Blasen" oder "Hohlräume" genannt werden, und können Stoßwellen erzeugen, die Maschinen beschädigen können. Diese Schockwellen sind stark, wenn sie sich in unmittelbarer Nähe der implodierten Blase befinden, schwächen sich aber schnell ab, wenn sie sich von der Implosion entfernen. ⓘ
Kavitation ist in einigen technischen Zusammenhängen eine wichtige Ursache für Verschleiß. Kollabierende Hohlräume, die in der Nähe einer Metalloberfläche implodieren, verursachen durch wiederholte Implosion zyklische Spannungen. Dies führt zu einer Oberflächenermüdung des Metalls und verursacht eine Art von Verschleiß, die auch als "Kavitation" bezeichnet wird. Die häufigsten Beispiele für diese Art von Verschleiß sind Pumpenlaufräder und Krümmer, in denen eine plötzliche Änderung der Flüssigkeitsrichtung auftritt. Kavitation wird gewöhnlich in zwei Verhaltensklassen unterteilt: träge (oder vorübergehende) Kavitation und nicht träge Kavitation. ⓘ
Der Prozess, bei dem ein Hohlraum oder eine Blase in einer Flüssigkeit schnell kollabiert und eine Schockwelle erzeugt, wird als Trägheitskavitation bezeichnet. In der Natur tritt Trägheitskavitation in den Schlägen von Fangschreckenkrebsen und Pistolenkrebsen sowie im Gefäßgewebe von Pflanzen auf. In künstlichen Objekten kann sie in Regelventilen, Pumpen, Propellern und Laufrädern auftreten. ⓘ
Bei der nichtträgheitsbedingten Kavitation wird eine Blase in einer Flüssigkeit durch eine Art von Energiezufuhr, z. B. ein akustisches Feld, gezwungen, ihre Größe oder Form zu verändern. Solche Kavitation wird häufig in Ultraschallreinigungsbädern eingesetzt und kann auch in Pumpen, Propellern usw. beobachtet werden. ⓘ
Da die durch das Kollabieren der Hohlräume entstehenden Stoßwellen stark genug sind, um Teile erheblich zu beschädigen, ist Kavitation in der Regel ein unerwünschtes Phänomen in Maschinen (obwohl sie erwünscht ist, wenn sie absichtlich eingesetzt wird, z. B. zur Sterilisierung kontaminierter chirurgischer Instrumente, zum Abbau von Schadstoffen in Wasserreinigungssystemen, zur Emulgierung von Gewebe für die Kataraktchirurgie oder Nierensteinlithotripsie oder zur Homogenisierung von Flüssigkeiten). Bei der Konstruktion von Maschinen wie Turbinen oder Propellern wird Kavitation sehr oft gezielt vermieden, und die Beseitigung von Kavitation ist ein wichtiger Bereich in der Untersuchung der Strömungsdynamik. Manchmal ist sie jedoch nützlich und verursacht keine Schäden, wenn die Blasen von der Maschine weg kollabieren, wie bei der Superkavitation. ⓘ
Die Kavitationszahl beschreibt die Neigung einer Flüssigkeit zur Kavitation. ⓘ
Physik
Trägheitskavitation
Die Trägheitskavitation wurde erstmals im späten 19. Jahrhundert beobachtet, als der Kollaps eines kugelförmigen Hohlraums in einer Flüssigkeit betrachtet wurde. Wenn ein Flüssigkeitsvolumen einem ausreichend niedrigen Druck ausgesetzt ist, kann es zerbrechen und einen Hohlraum bilden. Dieses Phänomen wird als Kavitationseintritt bezeichnet und kann hinter dem Blatt eines schnell rotierenden Propellers oder an jeder Oberfläche auftreten, die in der Flüssigkeit mit ausreichender Amplitude und Beschleunigung vibriert. Ein schnell fließender Fluss kann Kavitation auf Felsoberflächen verursachen, insbesondere wenn es ein Gefälle gibt, wie bei einem Wasserfall. ⓘ
Andere Möglichkeiten zur Erzeugung von Kavitationshohlräumen bestehen in der lokalen Einwirkung von Energie, z. B. durch einen intensiven fokussierten Laserimpuls (optische Kavitation) oder durch eine elektrische Entladung mittels eines Funkens. Dampfgase verdampfen aus dem umgebenden Medium in den Hohlraum; der Hohlraum ist also gar kein Vakuum, sondern eher eine Niederdruck-Dampfblase (Gas). Sobald die Bedingungen, die zur Bildung der Blase geführt haben, nicht mehr gegeben sind, z. B. wenn sich die Blase stromabwärts bewegt, beginnt die umgebende Flüssigkeit aufgrund ihres höheren Drucks zu implodieren und baut dabei eine Trägheit auf, während sie sich nach innen bewegt. Wenn die Blase schließlich kollabiert, führt die Trägheit der umgebenden Flüssigkeit zu einem starken Anstieg des Drucks und der Temperatur des Dampfes im Inneren. Die Blase kollabiert schließlich auf einen winzigen Bruchteil ihrer ursprünglichen Größe, wobei das Gas im Inneren durch einen ziemlich heftigen Mechanismus in die umgebende Flüssigkeit entweicht und eine beträchtliche Menge an Energie in Form einer akustischen Schockwelle und als sichtbares Licht freisetzt. Am Punkt des vollständigen Kollapses kann die Temperatur des Dampfes in der Blase mehrere tausend Kelvin und der Druck mehrere hundert Atmosphären betragen. ⓘ
Trägheitskavitation kann auch bei Vorhandensein eines akustischen Feldes auftreten. Mikroskopisch kleine Gasblasen, die in der Regel in einer Flüssigkeit vorhanden sind, werden durch ein angelegtes Schallfeld in Schwingungen versetzt. Ist die Schallintensität ausreichend hoch, vergrößern sich die Blasen zunächst und fallen dann schnell in sich zusammen. Daher kann Trägheitskavitation auch dann auftreten, wenn die Verdünnung in der Flüssigkeit nicht ausreicht, um einen Rayleigh-ähnlichen Hohlraum entstehen zu lassen. Die Hochleistungs-Ultraschalltechnik nutzt in der Regel die Trägheitskavitation mikroskopisch kleiner Vakuumblasen zur Behandlung von Oberflächen, Flüssigkeiten und Schlämmen. ⓘ
Der physikalische Prozess der Kavitationsentstehung ist dem Sieden ähnlich. Der Hauptunterschied zwischen den beiden besteht in den thermodynamischen Pfaden, die der Dampfbildung vorausgehen. Das Sieden tritt ein, wenn die lokale Temperatur der Flüssigkeit die Sättigungstemperatur erreicht und weitere Wärme zugeführt wird, damit sich die Flüssigkeit ausreichend in ein Gas umwandeln kann. Die Kavitation setzt ein, wenn der örtliche Druck weit genug unter den Sättigungsdampfdruck fällt, ein Wert, der durch die Zugfestigkeit der Flüssigkeit bei einer bestimmten Temperatur gegeben ist. ⓘ
Damit der Kavitationseintritt erfolgen kann, benötigen die Kavitationsblasen" im Allgemeinen eine Oberfläche, an der sie sich festsetzen können. Diese Oberfläche kann von den Seiten eines Behälters, von Verunreinigungen in der Flüssigkeit oder von kleinen ungelösten Mikrobläschen in der Flüssigkeit gebildet werden. Es ist allgemein anerkannt, dass hydrophobe Oberflächen kleine Blasen stabilisieren. Diese bereits vorhandenen Bläschen beginnen, unbegrenzt zu wachsen, wenn sie einem Druck ausgesetzt werden, der unter dem Schwellendruck liegt, dem so genannten Blake's threshold. ⓘ
Der Dampfdruck unterscheidet sich hier von der meteorologischen Definition des Dampfdrucks, die den Partialdruck von Wasser in der Atmosphäre bei einem Wert von weniger als 100 % Sättigung beschreibt. Der Dampfdruck im Zusammenhang mit Kavitation bezieht sich auf den Dampfdruck unter Gleichgewichtsbedingungen und kann daher genauer als Gleichgewichts- (oder Sättigungs-) Dampfdruck definiert werden. ⓘ
Nichtträgheitskavitation ist der Prozess, bei dem kleine Blasen in einer Flüssigkeit in Gegenwart eines akustischen Feldes zum Schwingen gezwungen werden, wenn die Intensität des akustischen Feldes nicht ausreicht, um ein vollständiges Kollabieren der Blasen zu bewirken. Diese Form der Kavitation verursacht deutlich weniger Erosion als die Trägheitskavitation und wird häufig für die Reinigung empfindlicher Materialien wie Siliziumwafer eingesetzt. ⓘ
Hydrodynamische Kavitation
Hydrodynamische Kavitation ist der Prozess der Verdampfung, Blasenbildung und Blasenimplosion, der in einer strömenden Flüssigkeit infolge einer Abnahme und anschließenden Zunahme des lokalen Drucks auftritt. Kavitation tritt nur dann auf, wenn der örtliche Druck bis zu einem gewissen Punkt unter den Sättigungsdampfdruck der Flüssigkeit abfällt und anschließend wieder über den Dampfdruck ansteigt. Wenn der Erholungsdruck nicht über dem Dampfdruck liegt, spricht man von Flashen. In Rohrsystemen entsteht Kavitation in der Regel entweder durch eine Erhöhung der kinetischen Energie (durch eine Flächenverengung) oder durch eine Erhöhung der Rohrhöhe. ⓘ
Hydrodynamische Kavitation kann erzeugt werden, indem eine Flüssigkeit mit einer bestimmten Strömungsgeschwindigkeit durch einen verengten Kanal geleitet wird oder durch die mechanische Rotation eines Objekts durch eine Flüssigkeit. Im Falle des verengten Kanals und aufgrund der spezifischen (oder einzigartigen) Geometrie des Systems kann die Kombination aus Druck und kinetischer Energie die hydrodynamische Kavitationskaverne stromabwärts der lokalen Verengung erzeugen, die hochenergetische Kavitationsblasen erzeugt. ⓘ
Auf der Grundlage des thermodynamischen Phasenwechsel-Diagramms könnte ein Temperaturanstieg einen bekannten Phasenwechselmechanismus auslösen, der als Sieden bekannt ist. Aber auch eine Abnahme des statischen Drucks könnte dazu beitragen, das Mehrphasendiagramm zu durchlaufen und einen anderen Phasenwechselmechanismus, die Kavitation, auszulösen. Andererseits könnte ein lokaler Anstieg der Strömungsgeschwindigkeit zu einem statischen Druckabfall bis zum kritischen Punkt führen, an dem Kavitation ausgelöst werden könnte (basierend auf dem Bernoulli-Prinzip). Der kritische Druckpunkt ist der dampfgesättigte Druck. In einem geschlossenen Fluidsystem, in dem keine Strömungsleckagen festgestellt werden, würde eine Verringerung der Querschnittsfläche zu einem Geschwindigkeitsanstieg und damit zu einem statischen Druckabfall führen. Dies ist das Funktionsprinzip vieler auf hydrodynamischer Kavitation basierender Reaktoren für verschiedene Anwendungen wie Wasseraufbereitung, Energiegewinnung, Verbesserung der Wärmeübertragung, Lebensmittelverarbeitung usw. ⓘ
Beim Fortschreiten einer Kavitationsströmung werden verschiedene Strömungsmuster festgestellt: Beginn, entwickelte Strömung, Superkavitation und gedrosselte Strömung. Der Beginn ist der erste Moment, in dem die zweite Phase (Gasphase) im System erscheint. Dies ist die schwächste Kavitationsströmung, die in einem System mit der höchsten Kavitationszahl erfasst wird. Wenn die Hohlräume wachsen und in den Öffnungs- oder Venturistrukturen größer werden, wird die entwickelte Strömung erfasst. Die intensivste kavitierende Strömung wird als Superkavitation bezeichnet, bei der theoretisch die gesamte Düsenfläche einer Öffnung mit Gasblasen gefüllt ist. Dieser Strömungszustand entspricht der niedrigsten Kavitationszahl in einem System. Nach der Superkavitation ist das System nicht mehr in der Lage, eine weitere Strömung durchzulassen. Daher ändert sich die Strömungsgeschwindigkeit nicht, während der Druck vor dem System steigt. Dies würde zu einem Anstieg der Kavitationszahl führen, was das Auftreten einer gedrosselten Strömung anzeigt. ⓘ
Der Prozess der Blasenbildung und das anschließende Wachstum und Kollabieren der Kavitationsblasen führt zu sehr hohen Energiedichten sowie zu sehr hohen lokalen Temperaturen und Drücken an der Oberfläche der Blasen für eine sehr kurze Zeit. Die gesamte Umgebung des flüssigen Mediums bleibt daher bei Umgebungsbedingungen. Unkontrollierte Kavitation ist schädlich; durch Steuerung des Kavitationsflusses kann die Energie jedoch nutzbar gemacht werden und ist nicht zerstörerisch. Kontrollierte Kavitation kann zur Verstärkung chemischer Reaktionen oder zur Ausbreitung bestimmter unerwarteter Reaktionen genutzt werden, da bei diesem Prozess aufgrund der Dissoziation der in den kavitierenden Blasen eingeschlossenen Dämpfe freie Radikale entstehen. ⓘ
Es wird berichtet, dass Öffnungen und Venturidüsen häufig für die Erzeugung von Kavitation verwendet werden. Ein Venturi hat aufgrund seiner glatten konvergierenden und divergierenden Abschnitte einen inhärenten Vorteil gegenüber einer Blende, so dass er bei einem gegebenen Druckabfall an der Kehle eine höhere Strömungsgeschwindigkeit erzeugen kann. Andererseits hat eine Blende den Vorteil, dass sie eine größere Anzahl von Löchern (einen größeren Umfang von Löchern) in einer gegebenen Querschnittsfläche des Rohrs unterbringen kann. ⓘ
Das Phänomen der Kavitation kann kontrolliert werden, um die Leistung von Hochgeschwindigkeitsschiffen und -geschossen zu verbessern, aber auch in der Materialverarbeitung, in der Medizin usw. Die Steuerung von Kavitationsströmungen in Flüssigkeiten kann nur durch die Weiterentwicklung der mathematischen Grundlagen der Kavitationsprozesse erreicht werden. Diese Prozesse äußern sich auf unterschiedliche Weise, wobei die Blasenkavitation und die Superkavitation die häufigsten und vielversprechendsten für die Kontrolle sind. Die erste exakte klassische Lösung ist vielleicht der bekannten Lösung von Hermann von Helmholtz aus dem Jahr 1868 zu verdanken. Die ersten bedeutenden akademischen Studien über die Theorie einer kavitierenden Strömung mit freien Grenzen und Superkavitation wurden in dem Buch Jets, wakes and cavities veröffentlicht, gefolgt von Theory of jets of ideal fluid. In diesen Büchern wurde die gut entwickelte Theorie der konformen Abbildungen von Funktionen einer komplexen Variablen verwendet, die es ermöglicht, eine große Anzahl von exakten Lösungen für ebene Probleme abzuleiten. Eine weitere Möglichkeit, die vorhandenen exakten Lösungen mit approximierten und heuristischen Modellen zu kombinieren, wurde in dem Werk Hydrodynamics of Flows with Free Boundaries erforscht, in dem die angewandten Berechnungstechniken auf der Grundlage des Prinzips der Unabhängigkeit der Hohlraumausdehnung, der Theorie der Pulsationen und der Stabilität von langgestreckten achsensymmetrischen Hohlräumen usw. verfeinert wurden, sowie in Dimensionalitäts- und Ähnlichkeitsmethoden bei den Problemen der Hydromechanik von Gefäßen. ⓘ
Eine natürliche Fortsetzung dieser Studien wurde vor kurzem in The Hydrodynamics of Cavitating Flows vorgelegt - ein enzyklopädisches Werk, das die besten Fortschritte der letzten drei Jahrzehnte in diesem Bereich umfasst und die klassischen Methoden der mathematischen Forschung mit den modernen Möglichkeiten der Computertechnologie verbindet. Dazu gehören die Ausarbeitung nichtlinearer numerischer Methoden zur Lösung von 3D-Kavitationsproblemen, die Verfeinerung der bekannten linearen Theorien in der Ebene, die Entwicklung asymptotischer Theorien für achsensymmetrische und nahezu achsensymmetrische Strömungen usw. Im Vergleich zu den klassischen Ansätzen ist der neue Trend durch die Ausweitung der Theorie auf 3D-Strömungen gekennzeichnet. Er spiegelt auch eine gewisse Korrelation mit aktuellen Arbeiten mit angewandtem Charakter über die Hydrodynamik von superkavitierenden Körpern wider. ⓘ
Hydrodynamische Kavitation kann auch einige industrielle Prozesse verbessern. Zum Beispiel zeigt kavitierter Maisbrei höhere Erträge bei der Ethanolproduktion im Vergleich zu unkavitiertem Maisbrei in Trockenmühlen. ⓘ
Dies wird auch bei der Mineralisierung von bio-refraktären Verbindungen genutzt, für die sonst extrem hohe Temperatur- und Druckbedingungen erforderlich wären, da dabei durch die Dissoziation der in den kavitierenden Blasen eingeschlossenen Dämpfe freie Radikale entstehen, die entweder zu einer Intensivierung der chemischen Reaktion oder sogar zur Ausbreitung bestimmter Reaktionen führen können, die unter anderen Umgebungsbedingungen nicht möglich wären. ⓘ
Anwendungen
Chemische Verfahrenstechnik
In der Industrie wird die Kavitation häufig zur Homogenisierung bzw. zum Mischen und Aufbrechen von Schwebeteilchen in einer kolloidalen Flüssigkeitsverbindung wie Farbmischungen oder Milch eingesetzt. Viele industrielle Mischmaschinen beruhen auf diesem Konstruktionsprinzip. Dies wird in der Regel durch die Konstruktion von Laufrädern oder dadurch erreicht, dass das Gemisch durch eine ringförmige Öffnung gepresst wird, die eine enge Eintrittsöffnung und eine viel größere Austrittsöffnung aufweist. Im letzteren Fall führt der drastische Druckabfall bei der Beschleunigung der Flüssigkeit in ein größeres Volumen zu Kavitation. Diese Methode kann mit hydraulischen Vorrichtungen gesteuert werden, die die Größe der Einlassöffnung regeln und eine dynamische Anpassung während des Prozesses oder eine Modifizierung für verschiedene Substanzen ermöglichen. Die Oberfläche dieser Art von Mischventilen, gegen die die Kavitationsblasen getrieben werden und dadurch implodieren, ist einer enormen mechanischen und thermischen Beanspruchung ausgesetzt; sie werden daher häufig aus extrem festen und harten Materialien wie Edelstahl, Stellit oder sogar polykristallinem Diamant (PKD) hergestellt. ⓘ
Es wurden auch kavitierende Wasserreinigungsgeräte entwickelt, bei denen die extremen Bedingungen der Kavitation Schadstoffe und organische Moleküle aufspalten können. Die Spektralanalyse des bei sonochemischen Reaktionen emittierten Lichts lässt chemische und plasmabasierte Mechanismen der Energieübertragung erkennen. Das von den Kavitationsblasen emittierte Licht wird als Sonolumineszenz bezeichnet. ⓘ
Der Einsatz dieser Technologie wurde erfolgreich bei der Alkaliraffination von Pflanzenölen erprobt. ⓘ
Hydrophobe Chemikalien werden durch Kavitation unter Wasser angezogen, da der Druckunterschied zwischen den Blasen und dem flüssigen Wasser sie zwingt, sich zu verbinden. Dieser Effekt kann bei der Proteinfaltung helfen. ⓘ
Biomedizinische
Kavitation spielt eine wichtige Rolle bei der Zertrümmerung von Nierensteinen in der Stoßwellenlithotripsie. Zurzeit wird geprüft, ob die Kavitation auch für die Übertragung großer Moleküle in biologische Zellen (Sonoporation) eingesetzt werden kann. Die Stickstoffkavitation ist eine in der Forschung eingesetzte Methode, um Zellmembranen zu lysieren, während die Organellen intakt bleiben. ⓘ
Kavitation spielt eine Schlüsselrolle bei der nicht-thermischen, nicht-invasiven Fraktionierung von Gewebe zur Behandlung einer Vielzahl von Krankheiten und kann zur Öffnung der Blut-Hirn-Schranke eingesetzt werden, um die Aufnahme von neurologischen Medikamenten im Gehirn zu verbessern. ⓘ
Kavitation spielt auch eine Rolle bei der HIFU, einer thermischen nicht-invasiven Behandlungsmethode für Krebs. ⓘ
Bei Wunden, die durch Hochgeschwindigkeitseinschläge verursacht werden (wie z. B. Schusswunden), treten ebenfalls Effekte durch Kavitation auf. Die genauen Wundmechanismen sind noch nicht vollständig geklärt, da es sowohl vorübergehende Kavitation als auch permanente Kavitation zusammen mit Quetschung, Zerreißen und Dehnung gibt. Auch die große Varianz der Dichte im Körper macht es schwierig, die Auswirkungen zu bestimmen. ⓘ
Ultraschall wird manchmal eingesetzt, um die Knochenbildung zu fördern, z. B. bei postoperativen Anwendungen. ⓘ
Es wird vermutet, dass das Geräusch "knackender" Fingerknöchel auf den Kollaps der Kavitation in der Gelenkflüssigkeit zurückzuführen ist. ⓘ
Reinigung
Bei industriellen Reinigungsanwendungen reicht die Kraft der Kavitation aus, um die Adhäsionskräfte zwischen Partikeln und Substrat zu überwinden und Verunreinigungen zu lockern. Der zur Auslösung der Kavitation erforderliche Schwellendruck ist eine starke Funktion der Impulsbreite und der zugeführten Leistung. Bei dieser Methode wird in der Reinigungsflüssigkeit akustische Kavitation erzeugt, die Schmutzpartikel aufnimmt und abtransportiert, in der Hoffnung, dass sie sich nicht wieder mit dem zu reinigenden Material verbinden (was möglich ist, wenn das Objekt z. B. in ein Ultraschallbad eingetaucht ist). Die gleichen physikalischen Kräfte, die Verunreinigungen entfernen, können auch das zu reinigende Objekt beschädigen. ⓘ
Lebensmittel und Getränke
Eier
Kavitation wurde bei der Pasteurisierung von Eiern eingesetzt. Ein mit Löchern gefüllter Rotor erzeugt Kavitationsblasen und erhitzt die Flüssigkeit von innen. Die Geräteoberflächen bleiben kühler als die durchfließende Flüssigkeit, so dass die Eier nicht aushärten, wie es bei den heißen Oberflächen älterer Geräte der Fall war. Die Intensität der Kavitation kann eingestellt werden, so dass der Prozess auf eine minimale Schädigung der Proteine abgestimmt werden kann. ⓘ
Herstellung von Pflanzenöl
Die Kavitation wird seit 2011 bei der Entschleimung und Raffination von Pflanzenöl eingesetzt und gilt als bewährte Standardtechnologie für diese Anwendung. Die Einführung der hydrodynamischen Kavitation in den Entschleimungs- und Raffinationsprozess ermöglicht eine erhebliche Reduzierung des Einsatzes von Prozesshilfsmitteln wie Chemikalien, Wasser und Bleicherde. ⓘ
Biokraftstoffe
Biodiesel
Kavitation wird seit 2011 bei der Herstellung von Biodiesel eingesetzt und gilt als bewährte Standardtechnologie für diese Anwendung. Der Einsatz von hydrodynamischer Kavitation im Umesterungsprozess ermöglicht eine deutliche Reduzierung des Katalysatoreinsatzes, eine Qualitätsverbesserung und eine Steigerung der Produktionskapazität. ⓘ
Technik
- Bei der Reinigung von Gegenständen in sogenannten Ultraschallbädern, in denen durch Kavitation Oberflächenschmutz entfernt wird. Die Kavitation wird hierbei durch Ultraschall erzeugt. Durch den Einsatz speziell abgestimmter Reinigungsflüssigkeiten und eine höhere Temperierung des Bades kann der mechanische Reinigungseffekt des Ultraschalls noch verstärkt werden.
- Im militärischen Bereich werden Torpedos eingesetzt, die sich mit sehr hoher Geschwindigkeit unter Wasser in einer künstlich erzeugten Kavität bewegen. Diese Technologie wurde zuerst von der russischen Marine zur Anwendungsreife entwickelt und ist unter dem Begriff Superkavitation bekannt geworden.
- Sonochemie: Durch die beim Kollaps der Blasen auftretenden hohen Energien werden sonochemische Reaktionen ermöglicht.
- In der Lebensmittelindustrie wird Kavitation bei Hochdruckhomogenisatoren ausgenutzt, um Fetttropfen zu zerkleinern. ⓘ
Kavitationsschäden
Kavitation ist in vielen Fällen ein unerwünschtes Phänomen. In Geräten wie Propellern und Pumpen verursacht Kavitation viel Lärm, Schäden an Bauteilen, Vibrationen und einen Verlust an Effizienz. Der durch Kavitation verursachte Lärm kann vor allem bei Marineschiffen unerwünscht sein, da sie dadurch leichter von passiven Sonaren erfasst werden können. Kavitation ist auch im Bereich der erneuerbaren Energien zu einem Problem geworden, da sie an der Schaufeloberfläche von Gezeitenturbinen auftreten kann. ⓘ
Wenn die Kavitationsblasen kollabieren, pressen sie energiereiche Flüssigkeit in sehr kleine Volumina, wodurch Stellen mit hoher Temperatur entstehen und Schockwellen ausgestoßen werden, die wiederum eine Lärmquelle darstellen. Der durch Kavitation verursachte Lärm ist ein besonderes Problem für militärische U-Boote, da er die Wahrscheinlichkeit erhöht, von passiven Sonaren entdeckt zu werden. ⓘ
Obwohl das Kollabieren eines kleinen Hohlraums ein relativ energiearmes Ereignis ist, können stark lokalisierte Kollabierungen im Laufe der Zeit Metalle, wie z. B. Stahl, erodieren. Die durch das Kollabieren von Hohlräumen verursachte Lochfraßbildung führt zu einem hohen Verschleiß der Komponenten und kann die Lebensdauer eines Propellers oder einer Pumpe drastisch verkürzen. ⓘ
Nachdem eine Oberfläche anfänglich von Kavitation betroffen ist, neigt sie dazu, in immer schnellerem Tempo zu erodieren. Die Kavitationsgrübchen erhöhen die Turbulenz des Flüssigkeitsstroms und bilden Spalten, die als Keimzellen für weitere Kavitationsblasen dienen. Die Vertiefungen vergrößern auch die Oberfläche der Bauteile und hinterlassen Eigenspannungen. Dadurch wird die Oberfläche anfälliger für Spannungskorrosion. ⓘ
Pumpen und Propeller
Kavitation tritt vor allem in Pumpen, an Propellern oder an Verengungen in einer strömenden Flüssigkeit auf. ⓘ
Wenn sich die Schaufeln eines Laufrads (in einer Pumpe) oder eines Propellers (wie bei einem Schiff oder U-Boot) durch eine Flüssigkeit bewegen, bilden sich Unterdruckbereiche, da die Flüssigkeit um die Schaufeln herum beschleunigt wird und sich an ihnen vorbeibewegt. Je schneller sich die Schaufel bewegt, desto niedriger kann der Druck um sie herum werden. Wenn sie den Dampfdruck erreicht, verdampft die Flüssigkeit und bildet kleine Gasblasen. Dies ist Kavitation. Wenn die Blasen später kollabieren, verursachen sie in der Regel sehr starke lokale Schockwellen in der Flüssigkeit, die hörbar sein können und sogar die Schaufeln beschädigen können. ⓘ
Kavitation in Pumpen kann in zwei verschiedenen Formen auftreten: ⓘ
Ansaugkavitation
Ansaugkavitation tritt auf, wenn die Pumpe unter niedrigem Druck/Hochvakuum ansaugt und sich die Flüssigkeit am Auge des Pumpenlaufrads in Dampf verwandelt. Dieser Dampf wird zur Druckseite der Pumpe befördert, wo kein Vakuum mehr herrscht und er durch den Druck wieder in eine Flüssigkeit komprimiert wird. Dieser Implosionsvorgang erfolgt gewaltsam und greift die Stirnseite des Laufrads an. Bei einem Laufrad, das durch Saugkavitation in Betrieb war, können große Materialstücke von der Oberfläche abgetragen werden, oder es werden sehr kleine Materialstücke abgetragen, so dass das Laufrad wie ein Schwamm aussieht. In beiden Fällen kommt es zu einem vorzeitigen Ausfall der Pumpe, häufig aufgrund eines Lagerschadens. Saugkavitation ist oft an einem Geräusch zu erkennen, das wie Kies oder Murmeln im Pumpengehäuse klingt. ⓘ
Häufige Ursachen für Saugkavitation sind u. a. verstopfte Filter, Rohrverstopfungen auf der Saugseite, eine schlechte Rohrleitungskonstruktion, eine Pumpe, die zu weit rechts auf der Pumpenkurve läuft, oder Bedingungen, die nicht den NPSH-Anforderungen (positive Netto-Saughöhe) entsprechen. ⓘ
In Kraftfahrzeuganwendungen kann ein verstopfter Filter in einem Hydrauliksystem (Servolenkung, Servobremsen) zu Saugkavitation führen, die ein Geräusch verursacht, das synchron mit der Motordrehzahl ansteigt und abfällt. Es handelt sich dabei häufig um ein hochfrequentes Wimmern, als ob ein Satz Nylonzahnräder nicht richtig ineinandergreifen würde. ⓘ
Kavitation im Auslass
Kavitation am Auslass tritt auf, wenn der Auslassdruck der Pumpe extrem hoch ist, was normalerweise bei einer Pumpe der Fall ist, die mit weniger als 10 % ihres besten Wirkungsgrades läuft. Der hohe Förderdruck führt dazu, dass der Großteil der Flüssigkeit innerhalb der Pumpe zirkuliert, anstatt aus dem Auslass zu fließen. Wenn die Flüssigkeit um das Laufrad herumfließt, muss sie mit extrem hoher Strömungsgeschwindigkeit durch den kleinen Spalt zwischen Laufrad und Pumpengehäuse fließen. Durch diese Strömungsgeschwindigkeit entsteht an der Gehäusewand ein Unterdruck (ähnlich wie in einem Venturi), der die Flüssigkeit in Dampf verwandelt. Eine Pumpe, die unter diesen Bedingungen betrieben wurde, zeigt einen vorzeitigen Verschleiß der Flügelradspitzen und des Pumpengehäuses. Darüber hinaus ist aufgrund der hohen Druckbedingungen mit einem vorzeitigen Ausfall der Gleitringdichtung und der Lager der Pumpe zu rechnen. Unter extremen Bedingungen kann dies zum Bruch der Laufradwelle führen. ⓘ
Es wird vermutet, dass die Kavitation in der Gelenkflüssigkeit das knackende Geräusch verursacht, das beim Knacken von Knochengelenken entsteht, z. B. wenn man sich absichtlich die Knöchel bricht. ⓘ
Lösungen für Kavitation
Da alle Pumpen eine gut entwickelte Ansaugströmung benötigen, um ihr Potenzial zu entfalten, kann es vorkommen, dass eine Pumpe aufgrund einer fehlerhaften Auslegung der Ansaugleitung, z. B. eines eng anliegenden Krümmers am Ansaugflansch, nicht die erwartete Leistung oder Zuverlässigkeit erbringt. Wenn eine schlecht entwickelte Strömung in das Pumpenlaufrad eintritt, trifft sie auf die Schaufeln und ist nicht in der Lage, dem Laufraddurchgang zu folgen. Die Flüssigkeit trennt sich dann von den Schaufeln und verursacht mechanische Probleme durch Kavitation, Vibrationen und Leistungsprobleme aufgrund von Turbulenzen und schlechter Füllung des Laufrads. Dies führt zu einem vorzeitigen Ausfall von Dichtungen, Lagern und Laufrädern, hohen Wartungskosten, hohem Stromverbrauch und einer geringeren Förderhöhe und/oder einem geringeren Durchfluss als angegeben. ⓘ
In den Handbüchern der Pumpenhersteller wird empfohlen, vor dem Pumpeneinlassflansch eine gerade Rohrleitung mit etwa 10 Durchmessern zu verlegen, um ein gut entwickeltes Strömungsmuster zu erhalten. Leider müssen Rohrleitungskonstrukteure und Anlagenpersonal mit Platz- und Ausrüstungsbeschränkungen zurechtkommen und können diese Empfehlung in der Regel nicht befolgen. Stattdessen wird häufig ein eng an die Pumpenansaugung gekoppelter Krümmer verwendet, der ein schlecht entwickeltes Strömungsmuster an der Pumpenansaugung erzeugt. ⓘ
Bei einer doppelseitig saugenden Pumpe, die mit einem eng gekoppelten Krümmer verbunden ist, ist die Strömungsverteilung zum Laufrad schlecht und führt zu einer Beeinträchtigung der Zuverlässigkeit und Leistung. Der Krümmer teilt die Strömung ungleichmäßig auf, wobei der größere Teil zur Außenseite des Krümmers geleitet wird. Folglich wird eine Seite des doppelseitig saugenden Laufrads mit einer höheren Strömungsgeschwindigkeit und einem höheren Druck durchströmt, während die unterversorgte Seite eine stark turbulente und potenziell schädliche Strömung erhält. Dies verschlechtert die Gesamtleistung der Pumpe (Förderhöhe, Durchfluss und Leistungsaufnahme) und verursacht eine axiale Unwucht, die die Lebensdauer von Dichtungen, Lagern und Laufrad verkürzt. So vermeiden Sie Kavitation: Erhöhen Sie den Saugdruck, wenn möglich. Senken Sie die Flüssigkeitstemperatur, wenn möglich. Drosseln Sie das Druckventil, um den Durchfluss zu verringern. Entlüften Sie das Pumpengehäuse von Gasen. ⓘ
Steuerventile
In Regelventilen kann Kavitation auftreten. Wenn der tatsächliche Druckabfall über dem Ventil, wie er durch den Druck vor und hinter dem Ventil im System definiert ist, größer ist, als die Auslegungsberechnungen zulassen, kann es zu Druckabfallblitzen oder Kavitation kommen. Der Übergang vom flüssigen in den dampfförmigen Zustand erfolgt durch den Anstieg der Strömungsgeschwindigkeit an oder unmittelbar hinter der größten Durchflussbegrenzung, die normalerweise der Ventilanschluss ist. Um einen gleichmäßigen Flüssigkeitsstrom durch ein Ventil aufrechtzuerhalten, muss die Strömungsgeschwindigkeit an der Vena contracta oder an dem Punkt, an dem die Querschnittsfläche am kleinsten ist, am höchsten sein. Dieser Anstieg der Fließgeschwindigkeit geht mit einem erheblichen Abfall des Flüssigkeitsdrucks einher, der sich stromabwärts teilweise wieder aufbaut, wenn die Fläche zunimmt und die Fließgeschwindigkeit abnimmt. Dieser Druckausgleich erreicht jedoch nie vollständig das Niveau des Drucks vor der Vene. Wenn der Druck an der Vena contracta unter den Dampfdruck der Flüssigkeit fällt, bilden sich im Durchfluss Blasen. Steigt der Druck nach dem Ventil wieder auf einen Druck, der über dem Dampfdruck liegt, kollabieren die Dampfblasen und es kommt zur Kavitation. ⓘ
Hochwasserentlastungen
Wenn Wasser über eine Hochwasserentlastungsanlage fließt, verursachen die Unregelmäßigkeiten auf der Oberfläche der Anlage bei hoher Strömungsgeschwindigkeit kleine Bereiche der Strömungsablösung, und in diesen Bereichen wird der Druck gesenkt. Wenn die Strömungsgeschwindigkeiten hoch genug sind, kann der Druck unter den lokalen Dampfdruck des Wassers fallen, und es bilden sich Dampfblasen. Wenn diese stromabwärts in einen Hochdruckbereich getragen werden, kollabieren die Blasen, was zu hohen Drücken und möglichen Kavitationsschäden führt. ⓘ
Experimentelle Untersuchungen zeigen, dass die Schäden an Betonschächten und Tunnelüberläufen bereits bei Strömungsgeschwindigkeiten von 12 bis 15 m/s beginnen können. Bis zu Strömungsgeschwindigkeiten von 20 m/s kann es möglich sein, die Oberfläche zu schützen, indem man die Begrenzungen stromlinienförmig gestaltet, die Oberflächenbeschaffenheit verbessert oder widerstandsfähige Materialien verwendet. ⓘ
Wenn dem Wasser etwas Luft beigemischt ist, ist das entstehende Gemisch komprimierbar und dämpft den hohen Druck, der durch das Kollabieren der Blasen entsteht. Wenn die Strömungsgeschwindigkeiten in der Nähe der Überlaufsohle ausreichend hoch sind, müssen Belüfter (oder Belüftungsvorrichtungen) eingesetzt werden, um Kavitation zu verhindern. Obwohl diese bereits seit einigen Jahren installiert sind, stellen die Mechanismen des Lufteintrags an den Belüftern und die langsame Bewegung der Luft von der Oberfläche der Hochwasserentlastungsanlage noch immer eine Herausforderung dar. ⓘ
Die Belüftungsvorrichtung für den Überlauf basiert auf einer kleinen Ablenkung der Überlaufsohle (oder Seitenwand), z. B. einer Rampe und einem Versatz, um die Strömung mit hoher Fließgeschwindigkeit von der Oberfläche des Überlaufs abzulenken. In dem Hohlraum, der sich unter der Sohle bildet, entsteht ein lokaler Unterdruck unter der Sohle, durch den Luft in die Strömung gesaugt wird. Die komplette Konstruktion umfasst die Umlenkeinrichtung (Rampe, Versatz) und das Luftzufuhrsystem. ⓘ
Beim Verdampfen entstehen im Wasser Blasen, da der Wasserdampf bei 20 °C einen vielfach größeren Raum als das flüssige Wasser benötigt. Sofern der Wasserdruck wieder ansteigt, hört der Verdampfungsvorgang wieder auf, der in der Kavitationsblase entstandene Wasserdampf kondensiert an der Außenwand der Dampfblase, und die bereits gebildeten Dampfblasen fallen schlagartig in sich zusammen. Der vorher benötigte Raum wird schlagartig kleiner, das Wasser muss diesen Raum wieder ausfüllen und strömt implosionsartig zurück, wodurch im Wasser sehr starke – wenn auch kurzzeitige – Druckstöße entstehen, die Größenordnungen von mehreren 100 MPa annehmen können (1 MPa = 10 bar = 1 N/mm²). Bei diesem Vorgang entstehen Druckwellen mit hohen Druckspitzen. ⓘ
Befinden sich die Dampfblasen in der Nähe oder direkt an einer festen Wand, z. B. den Laufradschaufeln, so entsteht bei der Implosion ein Flüssigkeitsstrahl (Mikrojet), der mit hoher Geschwindigkeit auf die Wand bzw. Laufradschaufel trifft und sie durch die schlagartige Druckbelastung hoch beansprucht; daher rühren die kraterförmigen Materialabtragungen beim Auftreten von Kavitation. ⓘ
Motoren
Einige größere Dieselmotoren leiden aufgrund der hohen Verdichtung und der unterdimensionierten Zylinderwände unter Kavitation. Durch die Vibrationen der Zylinderwand entstehen abwechselnd niedrige und hohe Drücke im Kühlmittel gegen die Zylinderwand. Die Folge ist Lochfraß an der Zylinderwand, wodurch schließlich Kühlflüssigkeit in den Zylinder und Verbrennungsgase in das Kühlmittel austreten können. ⓘ
Dies lässt sich durch chemische Zusätze in der Kühlflüssigkeit verhindern, die eine Schutzschicht auf der Zylinderwand bilden. Diese Schicht wird der gleichen Kavitation ausgesetzt, baut sich aber selbst wieder auf. Zusätzlich verhindert ein geregelter Überdruck im Kühlsystem (geregelt und aufrechterhalten durch den Federdruck des Kühlmittelverschlusses) die Bildung von Kavitation. ⓘ
Etwa ab den 1980er Jahren traten bei neu konstruierten, kleineren Benzinmotoren ebenfalls Kavitationserscheinungen auf. Eine Antwort auf die Notwendigkeit kleinerer und leichterer Motoren war ein kleineres Kühlmittelvolumen und eine entsprechend höhere Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels. Dies führte zu schnellen Änderungen der Strömungsgeschwindigkeit und damit zu schnellen Änderungen des statischen Drucks in Bereichen mit hohem Wärmeübergang. Dort, wo die entstehenden Dampfblasen auf eine Oberfläche prallten, führten sie dazu, dass sie zunächst die schützenden Oxidschichten (von Aluminiumgusswerkstoffen) aufbrachen und dann die neu gebildete Oberfläche wiederholt beschädigten, was die Wirkung einiger Arten von Korrosionsschutzmitteln (z. B. auf Silikatbasis) verhinderte. Ein letztes Problem war die Auswirkung, die eine erhöhte Materialtemperatur auf die relative elektrochemische Reaktivität des Grundmetalls und seiner Legierungsbestandteile hatte. Das Ergebnis waren tiefe Gruben, die sich innerhalb weniger Stunden bilden und in den Motorkopf eindringen konnten, wenn der Motor mit hoher Last und hoher Drehzahl lief. Diese Effekte ließen sich durch die Verwendung organischer Korrosionsinhibitoren oder (vorzugsweise) durch eine Konstruktion des Motorkopfes, die bestimmte kavitationsfördernde Bedingungen vermeidet, weitgehend vermeiden. ⓘ
In der Natur
Geologie
Einige Hypothesen über die Entstehung von Diamanten gehen davon aus, dass die Kavitation eine Rolle spielen könnte - nämlich die Kavitation in den Kimberlit-Röhren, die den extremen Druck erzeugt, der notwendig ist, um reinen Kohlenstoff in das seltene Allotrop Diamant zu verwandeln. Die drei lautesten jemals aufgezeichneten Geräusche während des Ausbruchs des Krakatoa im Jahr 1883 werden heute als das Platzen von drei riesigen Kavitationsblasen verstanden, von denen eine größer als die andere war und die sich im Schlund des Vulkans bildeten. Das aufsteigende Magma, das mit gelösten Gasen gefüllt war und unter enormem Druck stand, traf auf ein anderes Magma, das sich leicht verdichtete, so dass die Blasen wachsen und sich verbinden konnten. ⓘ
Gefäßpflanzen
Kavitation kann im Xylem von Gefäßpflanzen auftreten. Der Saft verdampft lokal, so dass entweder die Gefäßelemente oder die Tracheiden mit Wasserdampf gefüllt werden. Pflanzen sind in der Lage, kavitiertes Xylem auf verschiedene Weise zu reparieren. Bei Pflanzen, die weniger als 50 cm hoch sind, kann der Wurzeldruck ausreichen, um den Dampf wieder aufzulösen. Größere Pflanzen leiten gelöste Stoffe über Strahlenzellen in das Xylem ein, bei Tracheiden über Osmose durch die begrenzten Gruben. Die gelösten Stoffe ziehen Wasser an, der Druck steigt und der Dampf kann sich wieder auflösen. Bei einigen Bäumen ist das Geräusch der Kavitation hörbar, besonders im Sommer, wenn die Verdunstungsrate am höchsten ist. Einige Laubbäume müssen im Herbst ihre Blätter abwerfen, unter anderem weil die Kavitation bei sinkenden Temperaturen zunimmt. ⓘ
Sporenausbreitung bei Pflanzen
Die Kavitation spielt eine Rolle bei den Sporenverbreitungsmechanismen bestimmter Pflanzen. Bei Farnen beispielsweise wirkt das Sporangium des Farns wie ein Katapult, das Sporen in die Luft schleudert. Die Ladephase des Katapults wird durch die Wasserverdunstung aus den Ringzellen angetrieben, die einen Druckabfall auslöst. Wenn der Unterdruck etwa 9 MPa erreicht, kommt es zur Kavitation. Dieses schnelle Ereignis löst aufgrund der von der Ringstruktur freigesetzten elastischen Energie die Sporenausbreitung aus. Die anfängliche Beschleunigung der Sporen ist extrem hoch - bis zum 105-fachen der Schwerkraftbeschleunigung. ⓘ
Leben im Meer
So wie sich Kavitationsblasen an einem sich schnell drehenden Bootspropeller bilden, können sie sich auch an den Schwänzen und Flossen von Wassertieren bilden. Dies geschieht vor allem in der Nähe der Meeresoberfläche, wo der Wasserdruck niedrig ist. ⓘ
Kavitation kann die maximale Schwimmgeschwindigkeit von kräftigen Schwimmtieren wie Delfinen und Thunfischen einschränken. Delfine müssen unter Umständen ihre Geschwindigkeit einschränken, weil die kollabierenden Kavitationsblasen an ihrem Schwanz schmerzhaft sind. Thunfische haben knöcherne Flossen ohne Nervenenden und empfinden keine Schmerzen durch Kavitation. Sie werden gebremst, wenn die Kavitationsblasen einen Dampffilm um ihre Flossen bilden. Bei Thunfischen wurden Läsionen gefunden, die auf Kavitationsschäden hindeuten. ⓘ
Einige Meerestiere haben Wege gefunden, die Kavitation zu ihrem Vorteil zu nutzen, wenn sie Beute jagen. Die Pistolenkrabbe schnappt mit einer speziellen Klaue zu, um Kavitation zu erzeugen, die kleine Fische töten kann. Die Fangschreckenkrebse (die zu den Zertrümmerern gehören) nutzen die Kavitation ebenfalls, um die Muscheln, die sie fressen, zu betäuben, aufzuschlagen oder zu töten. ⓘ
Fuchshaie setzen Schwanzschläge ein, um ihre kleinen Beutetiere zu schwächen, und es wurde beobachtet, wie aus der Spitze des Schwanzbogens Kavitationsblasen aufstiegen. ⓘ
Untersuchungen des Israel Institute of Technology zeigen, dass die maximale Geschwindigkeit, mit der Delfine schwimmen, durch den Kavitationseffekt begrenzt ist. Der oberhalb einer bestimmten Geschwindigkeit entstehende Schmerz an den Schwanzflossen ist der begrenzende Faktor. Manche Fische, wie beispielsweise Thunfische, besitzen keine Schmerzrezeptoren in der Schwanzflosse. Sie dringen daher in Geschwindigkeitsbereiche vor, in denen Kavitationseffekte entstehen. ⓘ
Knallkrebse sind in der Lage, durch extrem schnelles Schließen ihrer Scheren eine Kavitationsblase zu erzeugen. Der beim Kollabieren der Blase entstehende Knall ist zum einen namensgebend für diese Tiere; zum anderen kann die freiwerdende Energie ausreichen, um Beutetiere zu betäuben oder zu töten. ⓘ
Küstenerosion
Im letzten halben Jahrzehnt hat sich die Küstenerosion in Form von Trägheitskavitation allgemein durchgesetzt. Die Blasen einer ankommenden Welle werden in die Risse des erodierten Felsens gedrückt. Durch den schwankenden Druck werden einige Dampftaschen dekomprimiert, die dann implodieren. Die dabei entstehenden Druckspitzen können Teile des Gesteins absprengen. ⓘ
Geschichte
Bereits 1754 spekulierte der Schweizer Mathematiker Leonhard Euler (1707-1783) über die Möglichkeit der Kavitation. Im Jahr 1859 veröffentlichte der englische Mathematiker William Henry Besant (1828-1917) eine Lösung des Problems der Dynamik des Zusammenbruchs eines kugelförmigen Hohlraums in einer Flüssigkeit, das von dem anglo-irischen Mathematiker George Stokes (1819-1903) als eines der Cambridge [University] Senate House Problems and Riders für das Jahr 1847 vorgestellt worden war. Im Jahr 1894 untersuchte der irische Strömungsdynamiker Osborne Reynolds (1842-1912) die Bildung und das Kollabieren von Dampfblasen in siedenden Flüssigkeiten und in verengten Rohren. ⓘ
Der Begriff Kavitation tauchte erstmals 1895 in einem Aufsatz von John Isaac Thornycroft (1843-1928) und Sydney Walker Barnaby (1855-1925) - dem Sohn von Sir Nathaniel Barnaby (1829-1915), dem Chefkonstrukteur der Royal Navy - auf, dem er von dem britischen Ingenieur Robert Edmund Froude (1846-1924), dem dritten Sohn des englischen Hydrodynamikers William Froude (1810-1879), vorgeschlagen worden war. Frühe experimentelle Studien zur Kavitation wurden 1894-5 von Thornycroft und Barnaby sowie von dem anglo-irischen Ingenieur Charles Algernon Parsons (1854-1931) durchgeführt, der ein stroboskopisches Gerät zur Untersuchung des Phänomens konstruierte. Thornycroft und Barnaby waren die ersten Forscher, die Kavitation an den Rückseiten von Propellerblättern beobachteten. ⓘ
1917 erweiterte der britische Physiker Lord Rayleigh (1842-1919) die Arbeit von Besant und veröffentlichte ein mathematisches Modell der Kavitation in einer inkompressiblen Flüssigkeit (ohne Berücksichtigung von Oberflächenspannung und Viskosität), in dem er auch den Druck in der Flüssigkeit bestimmte. Die mathematischen Modelle der Kavitation, die vom britischen Ingenieur Stanley Smith Cook (1875-1952) und von Lord Rayleigh entwickelt wurden, zeigten, dass kollabierende Dampfblasen sehr hohe Drücke erzeugen können, die in der Lage sind, Schäden zu verursachen, wie sie an Schiffsschrauben beobachtet wurden. Der experimentelle Nachweis, dass Kavitation solche hohen Drücke verursacht, wurde erstmals 1952 von Mark Harrison (einem Strömungsdynamiker und Akustiker am David Taylor Model Basin der U.S. Navy in Carderock, Maryland, USA) mit Hilfe akustischer Methoden und 1956 von Wernfried Güth (einem Physiker und Akustiker der Universität Göttigen, Deutschland) mit Hilfe der optischen Schlierenfotografie erbracht. ⓘ
1944 schlugen die sowjetischen Wissenschaftler Mark Iosifowitsch Kornfeld (1908-1993) und L. Suworow vom Leningrader Physikalisch-Technischen Institut (heute: Ioffe Physikalisch-Technisches Institut der Russischen Akademie der Wissenschaften, St. Petersburg, Russland) vor, dass bei der Kavitation Blasen in der Nähe einer festen Oberfläche nicht symmetrisch kollabieren; stattdessen bildet sich an der Blase an einem Punkt gegenüber der festen Oberfläche eine Vertiefung, die sich zu einem Flüssigkeitsstrahl entwickelt. Dieser Flüssigkeitsstrahl beschädigt die feste Oberfläche. Diese Hypothese wurde 1951 durch theoretische Studien von Maurice Rattray, Jr. unterstützt, einem Doktoranden am California Institute of Technology. Kornfelds und Suvorovs Hypothese wurde 1961 von Charles F. Naudé und Albert T. Ellis, Fluiddynamikern am California Institute of Technology, experimentell bestätigt. ⓘ
Eine Reihe von experimentellen Untersuchungen der Ausbreitung einer starken Stoßwelle (SW) in einer Flüssigkeit mit Gasblasen, die es ermöglichten, die grundlegenden Gesetze für den Prozess, den Mechanismus für die Umwandlung der Energie der SW, die Dämpfung der SW und die Bildung der Struktur zu ermitteln, sowie Experimente zur Analyse der Dämpfung von Wellen in Blasenschirmen mit unterschiedlichen akustischen Eigenschaften wurden durch Pionierarbeiten des sowjetischen Wissenschaftlers Prof. V.F. Minin am Institut für Hydrodynamik (Novosibirsk, Russland) in den Jahren 1957-1960 begonnen, der auch das erste geeignete Modell eines Schirms untersuchte - eine Folge von abwechselnden flachen eindimensionalen Flüssigkeits- und Gasschichten. In einer experimentellen Untersuchung der Dynamik der Form von pulsierenden Gashohlräumen und der Wechselwirkung von SW mit Blasenwolken in den Jahren 1957-1960 entdeckte V.F. Minin, dass eine Blase unter der Einwirkung von SW asymmetrisch kollabiert, wobei sich ein kumulativer Strahl bildet, der im Prozess des Kollapses entsteht und die Fragmentierung der Blase verursacht. ⓘ
Wirkungen
Geräuschentwicklung
Das beim Implodieren auftretende Geräusch (Knall, Knattern) hob früher oft die Tarnung von U-Booten auf – die Boote konnten mit passivem Sonar geortet werden. Seit kavitationsarme Propeller entwickelt wurden, spielt die Kavitation für die U-Boot-Ortung bis zu einer bestimmten Geschwindigkeit in Abhängigkeit von der Tauchtiefe keine Rolle mehr. Man erkennt kavitationsarme Propeller an den stark gekrümmten Flügeln, mit denen sie sanfter und wesentlich leiser durchs Wasser gleiten. Bei hohen Geschwindigkeiten in geringen Tauchtiefen verliert allerdings auch ein kavitationsarmer Propeller seine kavitationsmindernde Fähigkeit. Zur Vermeidung von Kavitation muss das U-Boot dann entweder tiefer tauchen, um den Wasserdruck zu erhöhen, oder die Geschwindigkeit verringern. ⓘ
Bei militärischen Überwasserschiffen werden ebenfalls kavitationsarme Schrauben und Systeme zur Geräuschminderung eingesetzt, z. B. das Prairie-Masker-System bei US-amerikanischen Schiffen. ⓘ
Auswirkungen in der medizinischen Diagnostik
Bei Sonographien in der medizinischen Diagnostik besteht die Gefahr, dass durch starke Energien (insbesondere den negativen Spitzendrücken des Ultraschalls) innerhalb des Körpers Kavitation entsteht. Dies könnte schädliche thermische oder mechanische Effekte haben. Beispielsweise könnten durch die Erzeugung freier Radikale oder Schockwellen Gewebeteile zerstört werden. Einige mögliche Effekte wurden bereits bei Tierversuchen in vivo beobachtet. Es wird darüber hinaus angenommen, dass Kontrastmittel die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten von Kavitation erhöhen. ⓘ