Kavitations

Kavitations bezeichnet das physikalische Phänomen, bei dem lokal der Druck in einer Flüssigkeit unter den Dampfdruck fällt, wodurch sich gas- oder dampfgefüllte Hohlräume (Blasen) bilden. Wenn der Druck wieder ansteigt, kollabieren diese Blasen schlagartig und erzeugen starke lokale Druckspitzen sowie Impulsschocks, die angrenzende Strukturen belasten. Der Vorgang hängt eng mit Sättigungsdampf und Nukleationseffekten durch Unreinheiten, Oberflächenrauheiten oder gasgefüllte Hohlräume zusammen.

Vorkommen: In technischen Systemen mit schnellem Druckwechsel: Pumpen, Turbinen, Propeller, Ventile, Rohrleitungen, Düsen. Besonders problematisch bei hohen Drehzahlen oder großen Druckunterschieden. Kavitation kann auch absichtlich genutzt werden, etwa bei der Reinigung durch Ultraschall, in der Sonochemie oder bei medizinischen Hochleistungsultraschallanwendungen (HIFU).

Auswirkungen: Materialerosion durch Blasenkollisionen, Oberflächenschäden, erhöhte Verluste, Lärm und Vibrationen. Langfristig kann Kavitation zur Leistungsreduktion, erhöhten Wartungskosten und vorzeitigem Verschleiß von Bauteilen führen. Ursachen sind zu niedriger Betriebsdruck, zu hohe Fließgeschwindigkeit, Temperatur- und Druckbedingungen sowie Nukleationszentren wie Verunreinigungen, Gasblasen oder Oberflächenunebenheiten.

Vermeidung und Management: Betrieb innerhalb sicherer Druck- und Geschwindigkeitsbereiche, Erhöhung des statischen Drucks, Reduzierung der Fließgeschwindigkeit, Optimierung von Geometrien (glatte Engstellen, sanfter Druckanstieg), Einsatz von Anti-Cavitation-Beschichtungen, Luftabsaugung oder Blasenabscheidern. Monitoring erfolgt mittels akustischer Emission, Drucksensoren und Hochgeschwindigkeitsaufnahmen.

Historie und Anwendungen: Das Phänomen wurde im 19. Jahrhundert erkannt. Heutzutage erforscht man Blasenbildung, Kollapsdynamik und Wechselwirkungen mit Materialien. Cavitation findet auch positive Anwendungen, etwa bei der Ultraschallreinigung, Sonochemie und in der medizinischen Bildgebung mit mikrobubblen-Kontrastmitteln.