Kavitationserosion durch einzelne Blasen
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Abstract:
Bei der Ultraschallreinigung wird eine Flüssigkeit beschallt sodass Kavitationsblasen in dieser erzeugt werden. Die Kavitationsblasen beginnen zu schwingen und zu kollabieren und erzeugen mithin starke Mikroströmungen am Reinigungsgut. Ultraschallreinigung ist potentiell ein „grünes Verfahren“, das ohne den Einsatz chemischer Reinigungsmittel auskommen kann. Die Anwendbarkeit ist jedoch begrenzt durch die potentiell erosive Oberflächen-Schädigungswirkung. Hier führen wir Untersuchungen zum Verständnis der Schädigungswirkung von Kavitation an Einzelblasen durch. Dazu verwenden wir optische Kavitation, d.h. erzeugen durch Fokussierung eines Laserspulses in Wasser kontrolliert einzelne Blasen, an verschiedenen festen Oberflächen. Die Blasendynamik wird mit Hochgeschwindigkeitsvideografie mit 5 Millionen Bildern pro Sekunde und Ultrakurzzeitbelichtung im Subpikosekundenbereich untersucht, wodurch es gelingt, die schnelle Blasendynamik sowie Stoßwellenfronten im Bild einzufrieren und dadurch sichtbar zu machen. Die akustischen Signaturen der Blasendynamik werden durch verschiedene Hydrofone (optisch sowie piezoelektrisch) mit 20 bis 200 MHz Bandbreite synchron aufgezeichnet. Etwaige Oberflächenschädigungen werden bereits in-situ durch die Hochgeschwindigkeitsbildgebung detektiert und anschließend ex-situ per Oberflächenprofilometrie genauer untersucht. Es wird experimentell gezeigt, das unter bestimmten Umständen während des Blasenkollaps ein Nadeljet ensteht. Das ist eine Überschallflüssigkeitsjetströmung von nur wenigen Mikrometern Durchmesser, die durch die Blase hindurch- auf eine feste Grenzfläche einschlägt. Das Schädigungspotential des Nadeljets wird untersucht und mit anderen Mechanismen der Blasendynamik verglichen.