Simulation des Einflusses der Düsenströmung auf den Zerfall von Hochdruckwasserstrahlen

Die Hochdruckwasserstrahltechnik bietet viele Anwendungsmöglichkeiten. Die mit Abstand bekannteste Anwendung im technischen Bereich ist das Wasserstrahlschneiden. Andere Anwendungen machen sich die allgemeine Wechselwirkung des Wasserstrahls mit der Oberfläche zunutze. Die Wasserstrahltechnik wird überwiegend dort eingesetzt, wo eine Materialschicht staubfrei von einer Oberfläche abgetragen werden soll. Dabei wird Wasser auf einen hohen Druck gebracht und durch eine Düse entspannt. Ein so erzeugter Wasserstrahl erreicht Geschwindigkeiten von mehreren hundert Metern pro Sekunde. Die hohe kinetische Energie des Wasserstrahls ist in der Lage, Material abzutragen. Anwendungen wie z. B. das Hochdruckreinigen, Abtragen von Beschichtungen, Rostentfernung sowie Härten der Oberfläche durch Wasserstrahlaufprall sind möglich. Auch können metallische Oberflächen aufgeraut und so für weitere Prozessschritte vorbereitet werden. Bei der Bearbeitung mit reinen Wasserstrahlen wird der Materialabtrag durch viele Faktoren beeinflusst. Zum Beispiel haben der Druck, der Düsendurchmesser und die Düsenform einen starken Einfluss auf die Abtragsleistung. Verschleiß der Düse führt meist zu einem unerwünschten Strahlbild, was sich zunächst durch einen erhöhten Wasserverbrauch ankündigt. Es existiert eine Vielzahl an unterschiedlichen Düsenformen, welche anwendungsspezifische Merkmale aufweisen. Aufgrund der hohen Strömungsgeschwindigkeit und der kleinen Abmessungen stellt die experimentelle Messung der Strömung in der Düse eine große Herausforderung dar. Für ein besseres Verständnis der Strömungsvorgänge bietet sich die Strömungssimulation an. In dieser Arbeit werden die Strömungsphänomene in Hochdruckdüsen und die anschließende Zerstäubung des Hochdruckwasserstrahls mit CFD-Methoden untersucht. Zur Validierung werden experimentelle Messungen des Volumenstroms und Kurzzeitaufnahmen des Zerstäubungsprozesses durchgeführt. Die Wasserstrahlströmung wird mit zwei verschiedenen Modellierungsansätzen simuliert, der stationären RANS-Simulation mit dem k? SST-Modell und der Grobstruktur Simulation mit der Volume-of-Fluid Methode. Die Düsenströmung und die Turbulenzeffekte haben einen entscheidenden Einfluss auf die Zerstäubung im Bereich hoher Reynolds-Zahlen. Die Simulation der Düsenströmung und der anschließenden Strahlzerfall sind sehr rechenintensiv, daher wird ein Konzept entwickelt, das die Strömung in der Düse mit dem Strahlzerfall koppelt.