Učinki skaliranja akustične kavitacije v različnih kapljevinah z opredelitvijo brezdimenzijskega števila

Raziskovalni projekti so (so)financirani s strani Javne agencije za raziskovalno dejavnost

 

 

• Članica UL: UL Fakulteta za strojništvo
• Šifra projekta: Z2-8188
• Naslov: Učinki skaliranja akustične kavitacije v različnih kapljevinah z opredelitvijo brezdimenzijskega števila
• Trajanje: 01.05.2017 – 30.04.2019
• Letni obseg: 0,66 FTE
• Vodja: doc. dr. Martin Petkovšek
• Veda: Tehniške vede
• Sodelujoče RO: Povezava
• Sestava projektne skupine: Povezava
• Bibliografske reference: Povezava

Vsebinski opis projekta

Znanstvena izhodišča

Kavitacija je fizikalni fenomen, ki označuje prehod iz kapljevitega v plinasto agregatno stanje in nazaj v homogeno kapljevino pri približno konstantni temperaturi. Pojav kavitacije se lahko opiše kot tvorjenje majhnih parnih mehurčkov v kapljevini zaradi lokalnega padca tlaka [1]⁠. Kavitacija se najpogosteje pojavlja na vodnih turbinskih strojih, ventilih in na nekaterih delih motorjev z notranjim zgorevanjem, pri sistemih za vbrizg goriva in celo v ležajih. Kavitacija je v večini primerov nezaželen fizikalni pojav, katerega se inženirji želimo izogniti ali preprečiti, saj ima le ta številne negativne učinke, kot so hrup, vibracije, zmanjšanje izkoristka procesa in erozija materiala, kar lahko privede do poslabšanja delovanja ali celo poškodb strojev in naprav.Glede na nastanek ločimo v osnovi dve vrsti kavitacije in sicer hidrodinamsko in akustično ali ultrazvočno kavitacijo. Razlika med obema je v mehanizmu, ki povzroči lokalni padec tlaka. Medtem ko pri hidrodinamski kavitaciji padec tlaka povzroči lokalno povišanje hitrosti zaradi geometrije obtekajočega telesa, se pri akustični kavitaciji pojavijo področja nizkega tlaka zaradi ultrazvočnega valovanja skozi mirujočo kapljevino. Fizikalni zakoni za posamezni kavitacijski mehurček, za njegov nastanek in razvoj so v osnovi enaki tako za hidrodinamsko, kot tudi za akustično kavitacijo.
Raziskave na področju kavitacije pa ne potekajo le v smeri preprečevanja nastanka kavitacije zaradi njenih negativnih učinkov [2]⁠, temveč tudi vse bolj v smeri koristne uporabe kavitacijskih učinkov v številnih procesih [3]⁠. Dandanes se kavitacijo kot orodje uporablja pri čiščenju težko dostopnih površin, v medicini, v prehrambeni industriji, kot tudi pri čiščenju različnih vrst voda in drugje. Različne aplikacije zahtevajo uporabo različnih vrst kavitacije, kot tudi združitev več vrst kavitacij in njihovih učinkov med seboj, zato so temeljne  raziskave tako hidrodinamske kavitacije kot tudi akustične ali ultrazvočne kavitacije izrednega pomena [4]⁠.
Neglede ali na kavitacijo gledamo s pozitivnega ali negativnega vidika moramo vedno upoštevati možnost nastanka kavitacijske erozije in ostale nezaželene učinke, ki so povezani s prisotnostjo kavitacije. Nenazadnje neobvladovanje kavitacijskih razmer lahko privede do manjšega učinka določenega procesa in s tem povečanja obratovalnih in servisnih stroškov. Kot primer lahko navedemo letne stroške v višini 100.000 evrov, ki nastanejo ob sanaciji poškodb kavitacijske erozije na gonilniku črpalne hidroelektrarne Avče.

 

Predstavitev problema

Večina dosedanjih temeljnih raziskav na področju kavitacije je narejenih v čisti vodi, kjer lastnosti in učinke kavitacije relativno dobro poznamo. Izredno malo raziskav na področju kavitacije pa je bilo izvedenih z drugimi kapljevinami kot so npr. olja, različne raztopine, suspenzije, koloidi in drugo, kar predstavlja ogromno vrzel med prenosom osnovnega znanja (lastnosti  kavitacije v čisti vodi) na industrijske aplikacije, kjer imamo pogosto opravka z navedenimi kapljevinami.

Morska voda, ki ima v povprečju slanost med 3,1% in 3,8%, se predvsem po višji gostoti razlikuje od sveže vode. Ta in druge reološke lastnosti med morsko in svežo vodo pripeljejo do razlik tudi pri pojavnosti in lastnostih kavitacije. Raziskovanje kavitacije v morski vodi je bilo do nedavnega predvsem pomembno zaradi nezaželenih učinkov le te na ladijskih vijakih. Predvsem zaradi hrupa je kavitacija izredno nezaželena na vojaških podmornicah, medtem ko se na tovornih in potniških ladjah posveča največ pozornosti preprečevanju kavitacijske erozije. Poleg kavitacijske erozije postaja aktualen tudi hrup na komercialnih ladjah, saj poteka vedno več študij o vplivu kavitacijskega hrupa na morski živež. Še bolj pereč  problem pa je zaradi povečanega morskega tovornega prometa nastal zaradi balastnih vod, ki jih ladje zaradi svoje stabilnosti nujno potrebujejo. Problematika balastnih vod je znana že dalj časa in se uvršča med največje grožnje morjem, saj lahko z nenadzorovanim vnosom tujerodnih organizmov povzročijo velike spremembe v lokalnih morskih ekosistemih, kar ima lahko negativne ekološke, gospodarske in socialne posledice. Ideja o »čiščenju« balastnih voda s pomočjo kavitacije ni nova, vendar zaradi tolerantne zakonodaje o izpustih balastnih voda, še ni doživela preboja na trg. Da bi lahko razvijali kavitacijske naprave in sisteme za čiščenje balastnih voda pa je potrebno temeljno znanje o lastnostih kavitacije v morski vodi. Zaradi zmanjševanja razvojnih stroškov se proizvajalci strojev in naprav čedalje bolj poslužujejo numeričnih izračunov o tokovnih razmerah skozi stroj ali napravo. Da pa bi se lahko z numeričnimi izračuni približali dejanskim tokovnim razmeram, kar je za kavitirajoče tokove še vedno velik izziv, pa so potrebne bazične raziskave o kavitaciji v morski vodi.

Veliko raziskav je bilo narejenih, kjer se kavitacijo uporablja kot orodje za obdelovanje najrazličnejših kapljevin, pri čemer se na samo kavitacijo največkrat gleda kot na »black box«, za katerega znajo raziskovalci zagotoviti le, da je pojav kavitacije prisoten. Torej bi bilo smiselno raziskati obnašanje kavitacije v različnih kapljevinah in ugotoviti katere lastnosti kapljevine imajo vpliv na razvoj in potek kavitacije, da bi lahko posamezen proces prilagodili specifičnim potrebam in ga hkrati izboljšali.
Kolaps kavitacijskega mehurčka lahko povzroči izredno visoke tlačne pulzacije, tudi več 100 bar, v kolikor mehurček kolapsira asimetrično, se formira t.i. mikrocurek, ki lahko doseže hitrost tudi več 100 m/s, iz posrednih meritev pa je tudi dokazano, da se ob kolapsu mehurčka lahko sprostijo izredno visoke temperature tudi do nekaj 1000 K, kar lahko povzroči razpad vodne molekule na OH in H radikale. Te ekstremne razmere pa lahko s pridom uporabimo za uničevanje različnih mikroorganizmov (bakterij, virusov) ali odstranjevanje različnih kemijskih spojin.

Vbrizgavanje goriva v dizelskih motorjih se danes ponaša z izjemno visokimi tlaki, do nekaj 1000 bar, zaradi česar je pojav kavitacije tako po razvodnem sistemu, kot tudi na sami vbrizgalni šobi neizbežen. Zaradi izjemno visokih dovodnih tlakov pride lokalno do povišanja hitrosti kapljevine, kar lahko privede do lokalnega padca tlaka in nastanka kavitacije, ki nam povzroča od zmanjšanja pretoka do kavitacijske erozije, to pa ogroža optimalno delovanje sistema in njegovo življenjsko dobo. Zaradi zapletenosti meritev na dejanskih sistemih (velikosti dovodnih kanalov v šobah so velikostnega reda μm), se razvijalci vbrizgalnih sistemov močno poslužujejo uporabe numeričnih simulacij. Kljub temu, da so numerična napovedovanja kavitacije v takih sistemih v porastu, pa vsi numerični modeli temeljijo na eksperimentalnih podatkih o kavitaciji v vodi. Da bi izboljšali numerične napovedi za tokovne razmere v omenjenih sistemih, pa potrebujemo številne bazične eksperimentalne študije v dejanskih kapljevinah, torej gorivu v katerem poskušamo kavitacijo napovedovati. Le s pomočjo eksperimentalnih podatkov se bodo lahko izvedle ustrezne izboljšave obstoječih kavitacijskih modelov in njihove validacije.

Kot izredno zapleten primer a čedalje bolj pomemben za industrijo vesoljske tehnike je obnašanje kavitacije in njene lastnosti v kriogenih kapljevinah, saj se za pogon raketnih motorjev uporablja tekoči vodik in tekoči kisik kot gorivo in oksidant. Ogromne količine teh dveh kapljevin je potrebno v zelo kratkem času prečrpati iz rezervoarjev do zgorevalne komore, za kar skrbijo posebne turbočrpalke, v katerih je kavitacija zaradi ekstremnih pogojev obratovanja neizbežna. Zaradi izredno zapletenih meritev večina raziskovalcev opravlja meritve v ne-kriogenih kapljevinah in nato le predvideva obnašanje stroja v kriogeni kapljevini, brez poznavanja natančnih lastnosti kavitacije v dejanski kapljevini. Da bi izboljšali delovanje turbočrpalk pa so potrebne številne bazične raziskave kavitacije v kriogenih kapljevinah.

Kot temeljna podoktorska raziskava bi le ta temeljila na akustični kavitaciji in sicer iz več razlogov. Akustična kavitacija, povzročena s pomočjo ultrazvočne sonotrode je za bazične raziskave primerna zaradi enostavne uporabe ter izredno dobre ponovljivosti kavitacijskih razmer tudi v daljšem časovnem razmiku, kar je izredno pomembno v kolikor želimo natančno primerjati kavitacijske razmere v odvisnosti od delovne kapljevine. Kavitacija v izbrani kapljevini je pri isto-frekvenčni, geometrijsko enaki sonotrodi, odvisna le od amplitude nihanja in okoliškega tlaka, katera oba parametra lahko izredno natančno kontroliramo. Za razliko od ultrazvočne kavitacije, pa je hidrodinamska kavitacija odvisna od več parametrov, zaradi katerih je ponovljivost kavitacijskih razmer težje dosegljiva. Zaradi potencialne nevarnosti pri eksperimentiranju z nekaterimi kapljevinami (razna olja, goriva, kriogene kapljevine itd.) je majhna prostornina vzorca izrednega pomena, saj manjša prostornina potencialno nevarne kapljevine predstavlja manjše tveganje za varnost in zdravje raziskovalcev in okolja. V primerjavi s hidrodinamsko kavitacijo, pri kateri potrebujemo določen pretok skozi izbrano zožitev, lahko akustično kavitacijo obravnavamo v veliko manjši prostornini vzorca brez nekaterih strojnih delov, kot je npr. črpalka in zožitev v primeru hidrodinamske kavitacije.

V kolikor želimo ultrazvočno kavitacijo osnovno popisati, pa je potrebno opredeliti brezdimenzijski parameter, kateri bi zajemal osnovne kavitacijske karakteristike. Na področju hidrodinamske kavitacije je že dolgo (okoli leta 1925 je Thoma predlagal brezdimenzijski parameter) v veljavi t.i. Kavitacijsko število (Thomovo št.), ki predstavlja temeljno brezdimenzijsko število za osnovni opis stanja hidrodinamske kavitacije. Kljub temu, da s kavitacijskim številom ne moremo v celoti popisati kavitacijskega stanja, je ta parameter izredno dobrodošel za relativno primerjavo različnih kavitacijskih stanj. V kolikor za hidrodinamsko kavitacijo torej obstaja osnovni parameter, ki osnovno opiše stanje kavitacije, pa za akustično kavitacijo do sedaj še ni bilo ustreznega predloga za podoben brezdimenzijski parameter s katerim bi lahko primerjali kavitacijska stanja povzročena s pomočjo ultrazvoka.
Zaradi široke uporabe akustične kavitacije v številnih procesih, bi bilo smiselno raziskati vse možne spremenljivke, ki vplivajo na stanje akustične kavitacije in predlagati brezdimenzijsko število s katerim bi lahko primerjali stanja kavitacije, podobno kot s Kavitacijskim številom pri hidrodinamski kavitaciji. Pri hidrodinamski kavitaciji razlikujemo različne pojavne oblike kavitacije [1]⁠, od začetne kavitacije s posameznimi mehurčki, razvite pritrjene kavitacije, razvite trgajoče se kavitacije, do superkavitacije, katere lahko v osnovi povežemo z določenim vrednostnim območjem kavitacijskega števila za podobne geometrije. Tako kot pri hidrodinamski kavitaciji, se ravno tako pri akustični kavitaciji (slika 1) lahko pojavijo različne oblike kavitacijskih struktur [5]⁠, ki pa do sedaj še niso bile popisane s podobnim parametrom.

Slika 1: Primeri različnih oblik kavitacije na konici sonotrode [5]⁠.

 

Cilji raziskav

Kot je bilo navedeno večina raziskav o kavitaciji poteka v čisti vodi, kjer kavitacijo relativno dobro poznamo, vendar kljub temu sam pojav še ni popolnoma raziskan, še posebej ni popolnoma pojasnen pojav kavitacijske erozije. V podoktorskem projektu bo za razumevanje kavitacije in njenih nezaželenih učinkov (predvsem kavitacijske erozije) v različnih kapljevinah izvedena integracija eksperimentalnih in teoretičnih metod s področja mehanike tekočin. Poudarek bo namenjen iskanju povezav med kavitacijo v čisti vodi in kavitacijo v drugih kapljevinah. V okviru projekta želimo določiti pomembnost posameznih reoloških lastnosti kapljevin, njihovo interakcijo in vpliv na proces erozije. Zanimajo nas trenutni lokalni volumski deleži, hitrostna polja kapljevite in plinaste faze s turbulentnimi fluktuacijami.
Pričakovani rezultat podoktorskega projekta je tudi fizikalni model, ki bo upošteval glavne reološke lastnosti različnih kapljevin, nestacionarno, neizotermno, dvofazno in turbuletno naravo toka in v končni fazi omogočal napoved lastnosti kavitacije in kavitacijske erozije v želenih kapljevinah na podlagi eksperimentalnih podatkih v akustični kavitaciji.

Pomemben rezultat projekta bo tudi razvoj brezdimenzijskega parametra za popis akustične kavitacije, ki bo dodatno popisal osnovna stanja kavitacijskih oblik, povzročenih s pomočjo akustičnega valovanja v mirujočih kapljevinah. Z eksperimentalnim modeliranjem različnih kavitacijskih stanj s pomočjo akustične kavitacije v različnih kapljevinah in z upoštevanjem čim več spremenljivk, ki vplivajo na samo kavitacijsko stanje, bomo predlagali brezdimenzijski parameter, s katerim se bo dalo v osnovi popisati kavitacijsko stanje akustične kavitacije. Do sedaj znani osnovni spremenljivki, ki vplivata na velikost in jakost formiranih kavitacijskih struktur sta frekvenca in amplituda zvočnega valovanja, vendar na samo stanje struktur vplivajo še številne druge spremenljivke, kot so npr. lastnosti in kvaliteta kapljevine, geometrija prostora v katerem se kavitacija formira in druge.

 

Pregled in analiza dosedanjih raziskav in relevantne literature

Podoktorski projekt zajema področje akustične kavitacije v različnih kapljevinah. Akustična kavitacija [6]⁠ v splošnem zajema nastanek parnih mehurčkov zaradi ultrazvočnega valovanja skozi kapljevino, ki lahko nastane zaradi stojnega valovanja znotraj ultrazvočne kopeli [7]⁠ ali pa zaradi visokofrekvenčnega nihanja telesa (sonotrode) v kapljevini [5]⁠.
Večina raziskav na področju akustične kavitacije je bilo narejenih za preučevanje posameznih kavitacijskih mehurčkov v ultrazvočnih kopelih [8]–[10]⁠, interakcijo več kavitacijskih mehurčkov med seboj [8], [11]–[14]⁠ in interakcijo med kavitacijskimi mehurčki in trdno površino [15]–[17]⁠.
Raziskave so relativno dobro popisale lastnosti kavitacije na sonotrodi [18]–[21] tudi zaradi standardnega erozijskega testa G32 [22], ki se uporablja za testiranje odpornosti različnih materialov na kavitacijsko erozijo [23]–[26]⁠. Standardni kavitacijski erozijski test temelji na ultrazvočni sonotrodi z natančno definiranimi obratovalnimi parametri. Vzorce standardnih dimenzij različnih materialov nato izpostavimo kavitaciji generirani na konici sonotrode, kar povzroči nastanek poškodb na materialu.

Kot je bilo v prijavi podoktorskega projekta že večkrat omenjeno je večina dosedanjih raziskav na področju kavitacije izvedena v vodi. Primerjavo obnašanja kavitacije v različnih kapljevinah so se lotili le redki raziskovalci. Med zadnjimi je bil Tzanakis s sod. [27]⁠, ki je opazoval lastnosti kavitacije na sonotrodi v vodi, glicerolu in etanolu. Opazil je, da se kavitacija v omenjenih treh kapljevinah občutno razlikuje. Tudi Žnidarčič s sod. [28] je opazoval kavitacijo na konici sonotrode v vodi, glicerolu in etilen glikolu ter popisal kako reološke lastnosti kapljevine vplivajo na lastnosti kavitacije.

Preučevanje kavitacije v morski vodi je bilo v preteklosti pomembno zlasti zaradi kavitacijske erozije na ladijskih vijakih, v zadnjem času pa postaja vedno bolj zanimiva zlasti zaradi problematike balastnih voda [29]⁠. Ena izmed obetavnih rešitev za čiščenje balastnih voda je ravno kavitacija [30]–[33]⁠ in zaradi tega je temeljno poznavanje kavitacije v morski vodi ključnega pomena za načrtovanje strojev in naprav s pomočjo katerih bomo obdelovali balastne vode. S stališča kavitacijske erozije je bilo ugotovljeno, da je kavitacija v morski vodi bolj agresivna od kavitacije v deionizirani vodi [34]⁠, ni pa še ugotovljenih vzrokov zakaj natančno prihaja do razlik pri nastanku poškodb na materialu.

Pri vbrizgavanju goriva v motorjih z notranjim zgorevanjem prihaja v kanalih šob do intenzivne kavitacije, katere se je skoraj nemogoče izogniti. V večini primerov se raziskovalci poslužujejo numeričnih metod za napovedovanje kavitacije [35], [36]⁠⁠, le redke so eksperimentalne študije v dejanskih gorivih. Eno izmed redkih eksperimentalnih študij v mikrokanalu šobe v različnih gorivih je opravil Jiang s sod. [37]⁠. Podobne raziskave je opravil Payri s sod. [38], [39], kjer je ravno tako s pomočjo vizualizacije opazoval kavitacijo v mikrokanalu.

Preučevanje kavitacije v kriogenih kapljevinah je pomembno zlasti zaradi t.i. termodinamskega učinka, ki postane izrazit v primeru, da je delovna temperatura v bližini kritične temperature kapljevine. Take kapljevine imenujemo termično občutljive kapljevine in kriogene kapljevine so tipični primer. Večino eksperimentalnih študij v kriogenih kapljevinah je izvedel Hord [40]–[42]⁠ v 60ih in 70ih letih in večina današnjih numeričnih modelov [43]–[45]⁠ (ki upoštevajo termodinamske učinke) še vedno temelji na eksperimentalnih podatkih tistega časa. Za razvoj in validacijo naprednih numeričnih modelov je torej ključnega pomena izvesti nove eksperimentalne študije na tem področju[46], [47]⁠.

Na področju hidrodinamske kavitacije je že dolgo časa v veljavi t.i. Kavitacijsko število, ki osnovno popiše stanje kavitacije. Kljub temu da z njim ne moremo zajeti vseh karakteristik kavitirajočega toka [48], nam dostikrat pomaga pri primerjavi podobnih geometrijah zožitve. Na področju akustične kavitacije še ni bilo predloga za podobni brezdimenzijski parameter.

 

Podroben opis vsebine in programa dela raziskovalnega projekta

Raziskovanje v okviru podoktorskega projekta bo temeljilo na uporabi akustične kavitacije, povzročene s pomočjo ultrazvočne sonotrode v različnih kapljevinah. Analitična primerjava kavitacijskih lastnosti med čisto vodo in ostalimi kapljevinami bo pripomogla k boljšemu temeljnemu razumevanju kavitacije, hkrati pa bo imela tudi izredno močno aplikativno vrednost. S pomočjo temeljnega znanja se bodo lahko razvijali in izboljševali numerični modeli za napoved kavitacije v različnih kapljevinah, kar bo privedlo do izboljšanja različnih tehnoloških procesov.

Vse dejavnosti v okviru podoktorskega projekta bodo potekale na Univerzi v Ljubljani, na Fakulteti za strojništvo, kjer je na voljo raziskovalna oprema potrebna za uspešno opravljen projekt.

Podoktorski projekt bo razdeljen v štiri delovne sklope (DS), ki si bodo časovno sledili tekom projekta. Vsebina delovnih sklopov je tako razdeljena na:
DS1: Zasnova in izdelava kavitacijske postaje.
DS2: Karakterizacija kavitacije v vodi.
DS3: Skaliranje kavitacije v različnih kapljevinah .
DS4: Analiza rezultatov in opredelitev brezdimenzijskega števila za opis akustične kavitacije.

DS1: Zasnova in izdelava kavitacijske postaje
V okviru DS1 bomo zasnovali in izdelali kavitacijsko postajo (slika 2), katero bomo uporabili za vso nadaljnjo eksperimentalno delo v okviru podoktorskega projekta. Idejna zasnova postaje temelji na zaprti posodi (rezervoarju) prostornine do 1L, v katero je vstavljena ultrazvočna sonotroda. Posoda bo izdelana iz nerjavnega jekla, ki bo odporen na morebitno oksidacijo izbranih delovnih kapljevin. Sonotroda bo delno potopljena v delovno kapljevino, v kateri bomo preučevali lastnosti kavitacije. Kavitacija nastane zaradi visoko frekvenčnega nihanja konice sonotrode, pod katero se tvorijo področja nizkega tlaka.
Kavitacijska postaja mora omogočati tako nastavitev okoliškega tlaka v posodi, kot tudi temperaturo delovne kapljevine. S pomočjo kompresorja in vakuumske črpalke bomo nadzirali okoliški tlak v posodi, medtem ko bomo temperaturo kapljevin dvigovali s pomočjo električnega grelca nameščenega na zunanjo stran dna posode in zniževali temperaturo s pomočjo prenosnika toplote (hladilno spiralo) znotraj posode. Kavitacija na konici sonotrode bo okarakterizirana s pomočjo vizualizacije in meritev tlačnih pulzacij v bližini konice. Ker bo posoda izdelana iz nerjavnega jekla, bo za potrebe vizualizacije potrebno izdelati opazovalna okna, tako za kamero, kot tudi za osvetlitev. Vizualizacija bo izvedena s pomočjo dveh hitrih kamer simultano, da bomo prostorsko bolje popisali obliko kavitacijskih struktur. Z visokofrekvenčnim tlačnim zaznavalom, ki bo nameščen v bližino konice sonotrode, bomo simultano z vizualizacijo zajemali tlačna nihanja. Kavitacijska postaja pa mora poleg vizualizacije in zajema tlačnih pulzacij omogočati tudi meritve deleža plinske faze v območju konice sonotrode.

DS2: Karakterizacija kavitacije v vodi
V okviru podoktorskega projekta pod DS2 bomo izvedli podrobne raziskave o kavitacijskih lastnosti v destilirani vodi in čisti vodovodni vodi pri različnih obratovalnih pogojih (različnih okoliških tlakih, različnih močeh sonotrode in različnih geometrijah sonotrode), kateri rezultati bodo služili za referenčne podatke s katerimi bomo primerjali kavitacijske lastnosti v drugih kapljevinah. S pomočjo neinvazivnih metod bomo skušali določiti trenutne volumske deleže kavitacijskih struktur, popisati tlačna nihanja, izračunati hitrostna polja tako plinaste kot tudi kapljevite faze tekočine in tudi določiti delež plinaste faze v področju kavitacije.

Vizualizacijo bomo izvedli s hitro kamero Photron SA-Z, ki omogoča hitrost snemanja 20.000 slik na sekundo pri polni resoluciji (1024×1024 slikovnih točk) in do 2.100.000 slik na sekundo pri zmanjšani resoluciji. Za dopolnitev informacij o prostorninskem popisu kavitacijskih struktur si bomo pomagali še z drugo hitro kamero Fastec HiSpec 4, ki omogoča 523 slik na sekundo pri polni resoluciji (1696×1710 slikovnih točk) in do 300.000 slik na sekundo pri zmanjšani resoluciji. Na podlagi vizualizacije z dveh zornih kotov bomo lahko v grobem rekonstruirali 3D obliko kavitacijskih struktur pri različnih obratovalnih pogojih.
Raziskovali in testirali bomo tudi najsodobnejše optične in hibridne korelacijsko-optične tokovne merilne principe, s katerimi želimo razviti hitro, natančno in robustno vizualizacijsko metodo za merjenje hitrostnih polj [49]⁠. Fizikalno ozadje metode popisuje konvektivno difuzivno prenosna funkcija, ki povezuje hitrostno in koncentracijsko polje toka in mehurčkov. Izvedene bodo analize možnosti 3D vizualizacijskih metod, zato pričakujemo razvoj novih algoritmov.

Tlačne pulzacije povzročene zaradi kavitacije bomo simultano z vizualizacijo izmerili s pomočjo hidrofona RESON TC4013, ki bo nameščen v bližino ultrazvočne sonotrode. V kolikor bomo imeli opravka z meritvami pri ekstremnih temperaturah, imamo na voljo tudi visokofrekvenčno tlačno zaznavalo PCB 112A05. Za obe zaznavali imamo vso potrebno napajalno, ojačevalno in programsko opremo.
Poleg konvencionalne meritve lokalnega dinamičnega tlaka z visokofrekvenčnimi zaznavali nameravamo poskusiti izvesti meritve z matričnim merjenjem tlaka s PVDF membrano (polyvinildenfluorid, C2H2F2). S posebno tehniko zajemanja z matrično elektrodo bo omogočena meritev časovne in prostorske porazdelitve tlaka [50]⁠. Metoda deluje tako, da ko mehanska obremenitev površine v normalni smeri povzroči deformacijo membrane, le ta odda električni naboj, ki povzroči razliko električnih potencialov med zgornjo in spodnjo stranjo membrane. Tlačna sprememba je tako sorazmerna razliki potencialov oz. električni napetosti.

Po Van-Slyke metodi bomo spremljali prisotnost raztopljenih plinov v sami kapljevini, saj je znano da delež raztopljenih plinov v vodi vpliva na lastnosti kavitacije.

S pomočjo optične metode bomo poskušali izmeriti tudi delež parne faze v območju kavitacije.

Na podlagi standardnega erozijskega testa G32-10 bomo izvedli tudi teste kavitacijske erozije v vodi pri različnih obratovalnih pogojih. Rezultati erozijskih testov bodo služili za referenčno primerjavo z erozijskimi testi v ostalih izbranih kapljevinah (morska voda, gorivo, tekoči dušik). Kavitacijska erozija se bo opazovala na materialih nizke trdote, kot sta npr. aluminij in baker. Na sliki 3 levo je prikazan visoko poliranih aluminijasti vzorec, na sliki 3 desno pa posnetka narejena z mikroskopom pred kavitacijo in po izpostavljenosti kavitaciji, po 1 minuti.
Kot temeljno nalogo za primerjavo rezultatov bomo uporabili metodo štetja luknjic [51], [52]⁠. Na podlagi erozijskih testov in slik mikroskopiranja bomo lahko časovno izmerili delež poškodovane površine, število poškodb in na koncu ocenili agresivnost kavitacijske erozije. Za daljše erozijske teste, kjer že prihaja do odnašanja materiala štetje poškodb ne pride več v poštev, takrat bomo vzorce tehtali z natančno tehtnico (natančnost 0,1mg in linearnost 0,3mg).

DS3: Skaliranje kavitacije v različnih kapljevinah
Kot je bilo omenjeno imamo v realnih procesih pogosto opravka z različnimi kapljevinami, ki jih ne moremo enačiti z vodo, zato bomo v okviru podoktorskega projekta v sklopu DS3 izvedli številne eksperimente s katerimi bomo opredelili lastnosti kavitacijskih stanj v vsaj treh zelo različnih kapljevinah. Eksperimente bomo izvedli z morsko vodo, gorivom in tekočim dušikom. Kapljevine smo izbrali na podlagi aktualnosti raziskav na področju kavitacije in hkrati na podlagi različnih reoloških lastnosti, na podlagi katerih bomo lahko opredelili katere reološke lastnosti bistveno vplivajo na kavitacijske lastnosti. Osnovne fizikalne lastnosti kapljevin so zapisane v tabeli 1.
Poleg hidrodinamske analize kavitacije, bomo ovrednotili tudi kavitacijsko erozijo v izbranih kapljevinah in jo primerjali z erozijo v vodi. Erozijski testi bodo temeljili na standardu G32-10, kjer je natančno predpisan postopek izvedbe testov in njihova evaluacija.

Kavitacija v morski vodi se bistveno razlikuje od kavitacije v čisti vodi. Katere reološke lastnosti imajo bistveni vpliv na potek kavitacije bomo preučili z spreminjanjem koncentracije solne raztopine in z dodajanjem trdnih delcev različnih velikosti. S spreminjanjem koncentracije raztopljene soli v vodi bomo predvsem preučevali kakšen vpliv imata na potek kavitacije gostota in viskoznost kapljevine. Z dodajanjem trdnih delcev pa bomo preučevali kako število zarodnih mest v kapljevini vpliva na kavitacijo. Podrobno poznavanje kavitacije v morski vodi ima velik doprinos znanja tako za načrtovalce ladijskih vijakov, kot tudi za čiščenje balastnih voda s pomočjo kavitacije, ki postaja čedalje bolj pereč problem na svetovni ravni zaradi prenosa neavtohtonih organizmov.

Študij, ki bi raziskovale kavitacijo v gorivu je malo, zato bo predlagana študija pripomogla k boljšemu temeljnemu razumevanju kavitacije v gorivu, hkrati pa bo imela velik doprinos za razvoj in izboljšave numeričnih modelov. Za preučevanje kavitacije v gorivu bomo uporabili dva najpogosteje uporabljena pogonska derivata in sicer dizelsko gorivo in 95 oktanski bencin. Za razvijalce vbrizgalnih sistemov so pomembni rezultati obnašanja kavitacije v obeh gorivih, saj tlaki v vbrizgavanja v bencinskih motorjih dohitevajo dizelske različice, z visokimi tlaki vbrizgavanja pa lažje nadzorujejo stroge okoljske zahteve o izpustih škodljivih plinov.

Raziskavam v kriogenih kapljevinah se zaradi težavnosti raziskovalci ponavadi izogibajo, zato je tudi pomanjkanje eksperimentalnih rezultatov na tem področju, kar zavira nadaljnji razvoj naprednih numeričnih modelov in na koncu razvoj aplikacij kjer se kriogene kapljevine uporabljajo. V okviru podoktorskega projekta bomo v DS3 izvedli tudi eksperimente s tekočim dušikom, kjer bomo opazovali obnašanje in lastnosti kavitacije ter primerjali rezultate z ostalimi kapljevinami.

Eksperimentalne meritve v vseh izbranih kapljevinah v okviru DS3 bodo potekale enako kot eksperimentalne meritve v DS2 z vodo. V vseh izbranih kapljevinah bomo izvedli vizualizacijo, tlačne meritve, izračunali hitrostna polja, spremljali delež raztopljenih plinov v posamezni kapljevini in ocenili delež parne faze, vse kot je bilo opisano v DS2 za referenčno kapljevino, vodo. Poleg hidrodinamskih analiz bomo spremljali tudi učinke kavitacije v posamezni kapljevini in sicer kavitacijsko erozijo ter primerjali rezultate erozije z rezultati referenčne kapljevine, vode.

DS4:  Analiza rezultatov in opredelitev brezdimenzijskega števila za opis akustične kavitacije

V zadnjem delovnem sklopu podoktorskega projekta, ki bo potekal vzporedno z DS3 bomo izvedli temeljito analizo eksperimentalno pridobljenih rezultatov iz vseh izbranih kapljevin. Rezultate iz DS3 bomo primerjali z referenčnimi rezultati pridobljenimi v vodi, v sklopu DS2. Že tekom DS3 pa bomo s pomočjo Taguchijeve metode in/ali Box-Behnken načrtovanja poskušali čim bolj optimirati obratovalne pogoje pri katerih bomo opazovali kavitacijo, da bo končni rezultat zanesljiv model, ki bo popisoval vpliv nekaterih fizikalnih lastnosti testiranih kapljevin na lastnosti in potek kavitacije.

Taguchijeva metoda načrtovanja eksperimenta je splošno uporabna za analizo in načrtovanje eksperimenta. Cilj eksperimenta po Taguchijevi metodi je identificirati vplivne parametre, ki imajo največji prispevek k variabilnosti.
Podobno kot Taguchijeva metoda tudi Box-Behnken princip načrtovanja eksperimenta identificira vplivne parametre in optimizira število posameznih testov, da zagotovi končni rezultat.

Na podlagi analize rezultatov bomo ugotovili katere fizikalne lastnosti kapljevin bistveno vplivajo na sam razvoj in potek kavitacije. Analiza bo tudi pokazala kako kavitacija v različnih kapljevinah povzroča poškodbe na materialu in ali je možno na podlagi nekaterih reoloških lastnosti kapljevine napovedati jakost kavitacijske erozije.

Predlagani podoktorski projekt je v celoti izvedljiv. Kljub temu da v večjem delu temelji na znanih metodah je inovativen, saj bo raziskovalcem ponudil nove eksperimentalne podatke o lastnostih kavitacije v različnih kapljevinah in s tem omogočil razvojnim skupinam izboljšati tako numerične modele za napovedovanje kavitacije v takih kapljevinah, kot tudi izboljšave različnih procesov, kjer je kavitacija prisotna. Na voljo imamo večino potrebne opreme za izvedbo vseh faz projekta, nosilec projekta pa je dobro seznanjen s problematiko raziskav.

Diseminacija rezultatov podoktorskega projekta bo izvedena na sledeče načine:
– Objava rezultatov v mednarodno priznanih znanstvenih revijah.
– Objava izsledkov na mednarodnih konferencah.
– Diplomske in magistrske naloge.
– Vzpostavitev odprte baze podatkov, ki bo omogočila hitrejši napredek znanosti in tehnike.

Aktivnosti diseminacije bodo potekale vzporedno z raziskovalnimi aktivnostmi od DS2 dalje.

 

Reference

[1] J. P. Franc in J. M. Michel, Fundamentals of Cavitation. Kluwer Academic Publishers, 2004.

[2] M. Petkovšek in M. Dular, „Simultaneous observation of cavitation structures and cavitation erosion“, Wear, let. 300, št. 1–2, str. 55–64, 2013.

[3] M. Petkovšek, M. Mlakar, M. Levstek, M. Stražar, B. Širok, in M. Dular, „A novel rotation generator of hydrodynamic cavitation for waste-activated sludge disintegration“, Ultrason. Sonochem., let. 26, str. 408–414, 2015.

[4] M. Dular, T. Griessler-Bulc, I. Gutierrez-Aguirre, E. Heath, T. Kosjek, A. Krivograd Klemenčič, M. Oder, M. Petkovšek, N. Rački, M. Ravnikar, A. Šarc, B. Širok, M. Zupanc, M. Žitnik, in B. Kompare, „Use of hydrodynamic cavitation in (waste)water treatment“, Ultrason. Sonochem., let. 29, str. 577–588, 2016.

[5] B. D. and W. L. A. Moussatov, R. Mettin, C. Granger, T. Tervo, „Evolution of Acoustic Cavitation Structures Near Larger Emitting Surface“, Proc. World Congr. Ultrason., str. 955–958, 2003.

[6] E. a. Neppiras, „Acoustic cavitation“, Phys. Rep., let. 61, št. 3, str. 159–251, 1980.

[7] W. Lauterborn in R. Mettin, „3 – Acoustic cavitation: bubble dynamics in high-power ultrasonic fields“, v Power Ultrasonics, 2015, str. 37–78.

[8] A. Zijlstra, D. Fernandez Rivas, H. J. G. E. Gardeniers, M. Versluis, in D. Lohse, „Enhancing acoustic cavitation using artificial crevice bubbles“, Ultrasonics, let. 56, str. 512–523, 2015.

[9] R. Mettin, „From a single bubble to bubble structures in acoustic cavitation“, Oscil. Waves Interact., str. 171–198, 2007.

[10] R. Mettin, C. Cairós, in A. Troia, „Sonochemistry and bubble dynamics“, Ultrason. Sonochem., let. 25, str. 24–30, 2015.

[11] L. Jiang, H. Ge, F. Liu, in D. Chen, „Investigations on dynamics of interacting cavitation bubbles in strong acoustic fields“, Ultrason. Sonochem., let. 34, str. 90–97, 2017.

[12] Y. Lin, L. Lin, M. Cheng, L. Jin, L. Du, T. Han, L. Xu, A. C.H. Yu, in P. Qin, „Effect of Acoustic Parameters on the Cavitation Behavior of SonoVue Microbubbles Induced by Pulsed Ultrasound“, Ultrason. Sonochem., let. 35, str. 176–184, 2016.

[13] M. Cavaro, „A Void Fraction Characterisation by Low Frequency Acoustic Velocity Measurements in Microbubble Clouds“, Phys. Procedia, let. 70, str. 496–500, 2015.

[14] B. K. Kang, M. S. Kim, in J. G. Park, „Effect of dissolved gases in water on acoustic cavitation and bubble growth rate in 0.83 MHz megasonic of interest to wafer cleaning“, Ultrason. Sonochem., let. 21, št. 4, str. 1496–1503, 2014.

[15] H. A. Vaidya, Ö. Ertunç, T. Lichtenegger, A. Delgado, in A. Skupin, „The penetration of acoustic cavitation bubbles into micrometer-scale cavities“, Ultrasonics, let. 67, str. 190–198, 2016.

[16] N. S. M. Yusof, B. Babgi, Y. Alghamdi, M. Aksu, J. Madhavan, in M. Ashokkumar, „Physical and chemical effects of acoustic cavitation in selected ultrasonic cleaning applications“, Ultrason. Sonochem., let. 29, str. 568–576, 2016.

[17] G. L. Chahine, A. Kapahi, J.-K. Choi, in C.-T. Hsiao, „Modeling of surface cleaning by cavitation bubble dynamics and collapse“, Ultrason. Sonochem., let. 29, str. 528–549, 2016.

[18] K. Yasui, Y. Iida, T. Tuziuti, T. Kozuka, in A. Towata, „Strongly interacting bubbles under an ultrasonic horn“, Phys. Rev. E, let. 77, št. 1, str. 16609, jan. 2008.

[19] S. Hattori in T. Itoh, „Cavitation erosion resistance of plastics“, Wear, let. 271, št. 7–8, str. 1103–1108, 2011.

[20] D. Shu, B. Sun, J. Mi, in P. S. Grant, „A high-speed imaging and modeling study of dendrite fragmentation caused by ultrasonic cavitation“, Metall. Mater. Trans. A Phys. Metall. Mater. Sci., let. 43, št. 10, str. 3755–3766, 2012.

[21] G. G.-A. Fatjó, A. Torres Pérez, in M. Hadfield, „Experimental study and analytical model of the cavitation ring region with small diameter ultrasonic horn“, Ultrason. Sonochem., let. 18, št. 1, str. 73–79, 2011.

[22] American Society for Testing Materials., Annual book of ASTM standards 2016. Section 3, Metals test methods and analytical procedures. Vol. 03.01, Metals – mechanical testing, elevated and low-temperature tests, metallography. ASTM International, 2016.

[23] A. Jayaprakash, J.-K. Choi, G. L. Chahine, F. Martin, M. Donnelly, J.-P. Franc, in A. Karimi, „Scaling study of cavitation pitting from cavitating jets and ultrasonic horns“, Wear, let. 296, št. 1, str. 619–629, 2012.

[24] G. Taillon, F. Pougoum, S. Lavigne, L. Ton-That, R. Schulz, E. Bousser, S. Savoie, L. Martinu, in J.-E. Klemberg-Sapieha, „Cavitation erosion mechanisms in stainless steels and in composite metal–ceramic HVOF coatings“, Wear, let. 364, str. 201–210, 2016.

[25] Z. Li, J. Han, J. Lu, J. Zhou, in J. Chen, „Vibratory cavitation erosion behavior of AISI 304 stainless steel in water at elevated temperatures“, 2014.

[26] M. Hajian, A. Abdollah-zadeh, S. S. Rezaei-Nejad, H. Assadi, S. M. M. Hadavi, K. Chung, in M. Shokouhimehr, „Improvement in cavitation erosion resistance of AISI 316L stainless steel by friction stir processing“, Appl. Surf. Sci., let. 308, str. 184–192, 2014.

[27] I. Tzanakis, G. S. B. Lebon, D. G. Eskin, in K. A. Pericleous, „Characterizing the cavitation development and acoustic spectrum in various liquids“, Ultrason. Sonochem., let. 34, str. 651–662, 2017.

[28] A. Žnidarčič, R. Mettin, C. Cairós, in M. Dular, „Attached cavitation at a small diameter ultrasonic horn tip“, Phys. Fluids, let. 26, št. 2, str. 23304, feb. 2014.

[29] N. Nosrati-Ghods, M. Ghadiri, in W.-G. Früh, „Management and environmental risk study of the physicochemical parameters of ballast water.“, Mar. Pollut. Bull., okt. 2016.

[30] M. Cvetković, M. Grego, in V. Turk, „The efficiency of a new hydrodynamic cavitation pilot system on Artemia salina cysts and natural population of copepods and bacteria under controlled mesocosm conditions.“, Mar. Pollut. Bull., let. 105, št. 1, str. 341–50, apr. 2016.

[31] M. Cvetković, B. Kompare, in A. K. Klemenčič, „Application of hydrodynamic cavitation in ballast water treatment“, Environ. Sci. Pollut. Res., let. 22, št. 10, str. 7422–7438, mar. 2015.

[32] J. M. Greenly in J. W. Tester, „Ultrasonic cavitation for disruption of microalgae“, Bioresour. Technol., let. 184, str. 276–279, 2015.

[33] S. S. Sawant, A. C. Anil, V. Krishnamurthy, C. Gaonkar, J. Kolwalkar, L. Khandeparker, D. Desai, A. V. Mahulkar, V. V. Ranade, in A. B. Pandit, „Effect of hydrodynamic cavitation on zooplankton: A tool for disinfection“, Biochem. Eng. J., let. 42, št. 3, str. 320–328, dec. 2008.

[34] G. Hou, X. Zhao, H. Zhou, J. Lu, Y. An, J. Chen, in J. Yang, „Cavitation erosion of several oxy-fuel sprayed coatings tested in deionized water and artificial seawater“, Wear, let. 311, št. 1–2, str. 81–92, mar. 2014.

[35] F. J. Salvador, D. Jaramillo, J.-V. Romero, in M.-D. Roselló, „Using a homogeneous equilibrium model for the study of the inner nozzle flow and cavitation pattern in convergent–divergent nozzles of diesel injectors“, J. Comput. Appl. Math., let. 309, str. 630–641, jan. 2017.

[36] J. Javier López, F. J. Salvador, O. A. de la Garza, in J. Arrègle, „A comprehensive study on the effect of cavitation on injection velocity in diesel nozzles“, Energy Convers. Manag., let. 64, str. 415–423, dec. 2012.

[37] G. Jiang, Y. Zhang, H. Wen, in G. Xiao, „Study of the generated density of cavitation inside diesel nozzle using different fuels and nozzles“, Energy Convers. Manag., let. 103, str. 208–217, okt. 2015.

[38] R. Payri, F. J. Salvador, J. Gimeno, in O. Venegas, „Study of cavitation phenomenon using different fuels in a transparent nozzle by hydraulic characterization and visualization“, Exp. Therm. Fluid Sci., let. 44, str. 235–244, jan. 2013.

[39] F. Payri, R. Payri, F. J. Salvador, in J. Martínez-López, „A contribution to the understanding of cavitation effects in Diesel injector nozzles through a combined experimental and computational investigation“, Comput. Fluids, let. 58, str. 88–101, apr. 2012.

[40] J. Hord, L. M. Anderson, in W. J. Hall, „Cavitation in liquid cryogens I – Venturi“, NASA CR-2054, 1972.

[41] J. Hord, „Cavitation in liquid cryogens II – Hydrofoil“, v NASA CR-2156, 1973.

[42] J. Hord, „Cavitation in liquid cryogens III-Ogives“, NASA CR – 2242, 1973.

[43] X. Cao, X. Zhang, L. Qiu, in Z. Gan, „Validation of full cavitation model in cryogenic fluids“, Chinese Sci. Bull., let. 54, št. 10, str. 1633–1640, 2009.

[44] T. Chen, G. Wang, B. Huang, in K. Wang, „Numerical study of thermodynamic effects on liquid nitrogen cavitating flows“, Cryogenics (Guildf)., let. 70, str. 21–27, 2015.

[45] X. Zhang, Z. Wu, S. Xiang, in L. Qiu, „Modeling cavitation flow of cryogenic fluids with thermodynamic phase-change theory“, Chinese Sci. Bull., let. 58, št. 4–5, str. 567–574, 2013.

[46] M. Petkovšek in M. Dular, „IR measurements of the thermodynamic effects in cavitating flow“, Int. J. Heat Fluid Flow, let. 44, str. 756–763, 2013.

[47] M. Dular in O. Coutier-Delgosha, „Thermodynamic Effects during the Growth and Collapse of a Single Cavitation Bubble“, J. Fluid Mech, let. 736, str. 44–66, 2013.

[48] A. Šarc, T. Stepišnik-Perdih, M. Petkovšek, in M. Dular, „The issue of cavitation number value in studies of water treatment by hydrodynamic cavitation“, Ultrason. Sonochem., let. 34, str. 51–59, 2017.

[49] T. Bajcar, B. Širok, in M. Eberlinc, „Quantification of flow kinematics using computer-aided visualization“, Stroj. Vestnik/Journal Mech. Eng., let. 55, št. 4, str. 215–223, 2009.

[50] S. Lang, M. Dimitrov, in P. F. Pelz, „Spatial and Temporal High Resolution Measurement of Bubble Impacts“, št. Cav, str. 978–981, 2012.

[51] M. Dular, B. Bachert, B. Stoffel, in B. Širok, „Relationship between cavitation structures and cavitation damage“, Wear, let. 257, št. 11, str. 1176–1184, 2004.

[52] A. Osterman, B. Bachert, B. Sirok, in M. Dular, „Time dependant measurements of cavitation damage“, Wear, let. 266, št. 9–10, str. 945–951, 2009.

 

Faze projekta in njihova realizacija:

Raziskovanje v okviru podoktorskega projekta temelji na uporabi akustične kavitacije, povzročene s pomočjo ultrazvočne sonotrode. Cilj projekta je okarakterizirati akustično kavitacijo v različnih kapljevinah in narediti primerjavo med posameznimi rezultati. Analitična primerjava kavitacijskih lastnosti med čisto vodo in ostalimi kapljevinami bo pripomogla k boljšemu temeljnemu razumevanju kavitacije, hkrati pa bo imela tudi močno aplikativno vrednost.

Podoktorski projekt je razdeljen v štiri delovne sklope (DS). Vsebina delovnih sklopov je tako razdeljena na:

• DS1: Zasnova in izdelava kavitacijske postaje.
• DS2: Karakterizacija kavitacije v vodi.
• DS3: Skaliranje kavitacije v različnih kapljevinah .
• DS4: Analiza rezultatov in opredelitev brezdimenzijskega števila za opis akustične kavitacije.

 

DS1: Zasnova in izdelava kavitacijske postaje.

Cilj prvega delovnega sklopa je bil zasnovati in izdelati merilno postajo, ki temelji na zaprti posodi, kamor je vstavljena ultrazvočna sonotroda. Zasnovali in izdelali smo merilno postajo, prostornine približno 1 litra. Merilna postaja omogoča uporabo različnih kapljevin in je primerna tudi za eksperimente s tekočim dušikom. Zaradi varnosti pri uporabi potencialno tveganih kapljevin, kot so tekoči dušik in razna goriva, smo merilno postajo zasnovali in izdelali v obliki cilindra in v radialni smeri vgradili dva opazovalna okna, ki omogočata vizualizacijo na tvorjeno kavitacijo pod ultrazvočno sonotrodo. Merilna postaja je izdelana iz nerjavečega jekla, razen opazovalnih oken in tesnil, ki so izdelani iz umetnih materialov.  Za tvorjenje kavitacije smo uporabili ultrazvočno sonotrodo ColeParmer 750W, ki deluje pri 20.000 Hz.

 

Slika 1: Kavitacijska postaja #1.

Na podlagi preliminarnih meritev pri prvih eksperimentih smo ugotovili, da ima sama merilna postaja, ki smo jo zaradi varnosti pri izvajanju eksperimentov s potencialno nevarnimi kapljevinami, zasnovali z relativno majhnimi opazovalnimi okni na dveh straneh, določene omejitve. Omejitve se pojavijo pri podrobnih opisih kavitacijskih stanj pod ultrazvočno sonotrodo. Zaradi omenjenih omejitev smo na novo zasnovali in izdelali še eno merilno postajo, ki omogoča opazovanje kavitacijskih struktur iz petih smereh. Merilna postaja je v obliki kvadra, z ravnimi stranicami in večjimi opazovalnimi okni, v primerjavi s prvo merilno postajo. Zaradi večjega števila opazovalnih oken lahko lažje in bočlj podrobnoopazujemo in popišemo kavitacijske pojave. Tudi druga merilna postaja je izdelana iz nerjavečega jekla, razen opazovalnih oken in tesnil, ki so izdelani iz umetnih materialov in stekla.

Slika 2: Kavitacijska postaja #2.

DS2: Karakterizacija kavitacije v vodi.

V delovnem sklopu 2 smo izvedli eksperimente v čisti vodi, kjer smo opazovali kavitacijske lastnosti pri različnih obratovalnih pogojih. Spreminjali smo tlak znotraj merilne postaje in temperaturo vode, ter obratovalne pogoje sonotrode. Rezultati bodo služili za referenčne podatke s katerimi bomo primerjali kavitacijske lastnosti v drugih kapljevinah. Vizualizacijo smo izvedli s hitro kamero Photron SA-Z, ki omogoča hitrost snemanja 20.000 slik na sekundo pri polni ločljivosti (1024×1024 slikovnih točk) in do 2.100.000 slik na sekundo pri zmanjšani resoluciji. Pri popisu kavitacijskih struktur smo si pomagali še z drugo hitro kamero Fastec HiSpec4, ki omogoča 523 slik na sekundo pri polni ločljivosti (1696×1710 slikovnih točk) in do 300.000 slik na sekundo pri zmanjšani ločljivosti. Poleg vizualizacije smo simultano izmerili tudi tlačne pulzacije z visoko frekvenčnim tlačnim zaznavalom PCB 112A05. Na podlagi standardnega erozijskega testa G32-10 smo izvedli tudi teste kavitacijske erozije v vodi pri različnih obratovalnih pogojih. Kavitacijska erozija se je opazovala na aluminijastih vzorcih, ki so bili polirani do visokega sijaja, okarakterizirana pa je bila s pomočjo mikroskopiranja. Rezultati kavitacijske dinamike in kavitacijske erozije so bili delno predstavljeni in objavljeni v izvirnem znanstvenem članku [1].

Reference:

[1] DULAR, Matevž, PETKOVŠEK, Martin. Cavitation erosion in liquid nitrogen. Wear, ISSN 0043-1648. [Print ed.], April 2018, vol. 400/401, str. 111-118, ilustr. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0043164817311390, doi: 10.1016/j.wear.2018.01.003. [COBISS.SI-ID 15832859]