Kavitation genaue Erklärung gesucht?

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1 Antwort

Ach ja, die Kavitation. Da tut sich so mancher schwer und in dem Video ist es auch etwas verwirrend geschildert.

Gehen wir mal systemtisch vor und fangen mit dem alten Bernoulli an.

Laut Bernoulli sinkt der statische Druck eines Fluids, wenn es beschleunigt wird. Je schneller die Fließgeschwindigkeit, umso niedriger ist der Druck, genauer gesagt, umso größer ist die lokale Druckabsenkung. Das ist das Prinzip der Wasserstrahlpumpe. Dahinter steckt letztlich der Energieerhaltungssatz und aus dem ergibt sich, dass die spezifische Gesamtenergie entlang einer Stromlinie konstant bleiben muss. Daraus folgt:

e = u^2 / 2 + p / ρ + g * z = const

g * z, also die statische Höhe, lassen wir mal weg, die bleibt bei einer waagrechten Strömung konstant.

Also bleibt übrig:
u^2 / 2 + p / ρ = const

mit
u= lokale Geschwindigkeit
p = lokaler Druck
ρ = Dichte des Mediums

Daraus ergibt sich
p = ρ * (const - u^2 / 2 )

Die lokale Druckabsenkung ∆p beträgt also
∆p = - ρ * u^2 / 2
und ist damit proportional zum Quadrat der lokalen Geschwindigkeit.

In Rohrleitungssystemen oder speziell bei Pumpenrädern oder Schiffspropellern treten nun aber an einigen Stellen extrem hohe Geschwindigkeiten auf. Die Geschwindigkeit kann zum einen durch die Tragflächenform der Propeller- oder Pumpenradflügel  stark ansteigen oder auch an Stellen, wo sich starke Wirbel bilden.

Nun gehts mit dem Zustandsdiagramm des Wassers weiter:
https://de.wikipedia.org/wiki/Phasendiagramm#/media/File:Phasendiagramme.svg

Im unteren Diagramm ist zu entnehmen:
Bei 1 bar Druck siedet Wasser bei 100°C.
Bei 0,006 bar siedet es schon bei 0,01°C

Nun kann es durch Bernoulli und sehr hohe Strömungsgeschwindigkeiten passieren, dass der Druck so stark abfällt, dass der Siedepunkt unter die Wassertemperatur sinkt. Dann verdampft das Wasser spontan und bildet Dampfblasen. Ein kurzes Stück später  ist die Strömungsgeschwindigkeit schon wieder etwas langsamer, der Druck steigt, die Siedetemperatur ebenfalls und sobald die Siedetemperatur über die Wassertemperatur steigt, fallen die Dampfblasen wieder schlagartig zusammen.

Dieses Phänomen lässt sich in jedem Topf mit Wasser auf dem Herd beobachten. Kurz vor erreichen der Siedetemperatur entstehen am Boden Dampfblasen, weil es dort direkt am Metall schon 100°C heiß ist. Die Dampfblasen steigen auf, gelangen aber nicht bis zur Oberfläche, weil das Wasser etwas weiter oben im Topf noch nicht die 100°C erreicht hat. Die Dampfblasen implodieren wieder, bevor sie an der Oberfläche angekommen sind. Dieses Implodieren der Dampfblasen hört man durch ein deutliches Rauschen im Topf. Dieses Rauschen hört schlagartig auf, sobald das Wasser heiß genug ist, dass die Dampfblasen bis zur Oberfläche gelangen und diese durchbrechen, ohne vorher zu implodieren.

Die Implosion der Dampfblasen beginnt an einer Stelle der Blasenoberfläche, an der sich ein dünner Wasserstrahl bildet, der mit Überschallgeschwindigkeit in die Blase saust und darüber hinaus. Trifft dieser Wasserstrahl auf eine metallische Oberfläche, kann er einzelne Moleküle aus der Oberfläche schlagen. Es entsteht Kavitation, also Materialzerstörung im Mikrobereich durch Dampfblasenbildung.

Fazit: Kavitation wird begünstigt durch:
- hohe Strömungsgeschwindigkeiten
- hohe Wassertemperaturen
- geringer statischer Betriebsdruck

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