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aktualisiert am 15. Oktober 2021

ISBN 9783868537727

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978-3-86853-772-7, Reihe Strömungsmechanik

Mathias Weickert
Partikelerosion in laminaren und schwach turbulenten Strömungen

217 Seiten, Dissertation Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (2010), Softcover, A5

Zusammenfassung / Abstract

In der vorliegenden Arbeit wurde ein Simulationsprogramm für das hydro-erosive Verrunden erstellt und experimentell an Planargeometrien sowie an einer Drossel und an einer Düse validiert. Das hydro-erosive Verrunden stellt ein Fertigungsverfahren für die Oberflächenbehandlung an Bauteilen dar. Hierbei werden die Rauheiten der Oberfläche entfernt und scharfe Kanten abgerundet. Das Verfahren wird durch eine Zweiphasenströmung realisiert, die aus einem Trägermedium (Mineralöl) besteht, das mit Schleifpartikeln versetzt ist. Die Durchmesser der Schleifpartikel betragen zwischen 1 - 50μm. Sie bestehen aus dem Material ”Borkarbid“, das nahe an die Materialhärte von Diamant heranreicht [6]. Das Simulationsprogramm soll die Mechanismen der Partikelerosion in den beim hydro-erosiven Verrunden auftretenden laminaren und schwach turbulenten Strömungen abbilden. Die beiden entscheidenden Mechanismen beim hydro-erosiven Verrunden sind der Partikeltransport der Schleifkörner und die Partikel-Wand Interaktion, welche die Erosion an den Wänden des Bauteils bewirkt. Das Programm kann unter Berücksichtigung der wesentlichen Mechanismen zu Optimierungen an den zu bearbeitenden Bauteilen wie zum Beispiel dem Spritzloch einer Diesel-Einspritzdüse eingesetzt werden.

Die numerische Beschreibung des Partikeltransports nicht-sphärischer Schleifkörner ist bisher nur über eine hochaufgelöste Partikeloberfläche möglich. Dies erfordert einen zu hohen Rechenaufwand, um den Prozess des hydro-erosiven Verrundens abbilden zu können, bei dem Millionen von Partikeln die Erosion verursachen. In den recheneffizienten und anwendbaren Euler-Euler und Euler-Lagrange Verfahren wird das Partikel über eine Punktmasse abgebildet. Die Ausdehnung des Partikels wird über die ”Basset-Boussinesq-Oseen“ (BBO) Gleichung berücksichtigt, die für sphärische Partikel gültig ist. Die Annahme, dass die Schleifkörner eine sphärische Partikeloberfläche besitzen, führte bisher nur bei kleinen Stokeszahlen zu einer U ̈bereinstimmung zwischen den Simulationen und Experimenten. Die Partikel-Wand Interaktion konnte bis heute nur mit semi-empirischen Erosionsmodellen beschrieben werden. Hierbei unterliegt der Partikeltransport zur Wand der Annahme, dass die Schleifkörner eine sphärische Oberfläche besitzen. Diese Annahme führt bei größeren Stokeszahlen zu keiner korrekten Berechnung der Partikeldynamik an der Wand. Somit sind die bisher entwickelten Erosionsmodelle nicht auf andere Bauteile übertragbar. Experimentell konnten die mikroskaligen Schleifkörner aufgrund ihrer kleinen Abmessungen bisher nicht detektiert werden.