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Universität/Hochschule Luft-/Gasblasen in Wasser durch Kolbenzylinder.
BenGuhl
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  Themenstart: 2021-10-08

Hallo zusammen, keine Rechenaufgabe, mehr ein Anwendungsproblem. Ich verforme eine Probe, in dem ich über einen Motor und Kolbenzylinder Wasser in diese Probe hineinpumpe (Frequenz von 1 Hertz). Die Probe selbst befindet sich in einem Wasserbecken, aufgeheizt auf 37 Grad Celsius. Die Verformung der Probe wird mit einem 4D Ultraschallgerät (3D + Zeit) aufgezeichnet. Das Problem ist, dass im Ultraschallbild im inneren der sich verformenden Probe extrem viele Luft-/Gasblässchen zu sehen sind. Das System ist entlüftet, das Wasser selbst größtenteils entgast. Die Blässchen sind mit dem Auge eigentlich kaum zu sehen, im Ultraschall erscheinen sie aber gigantisch. Diese Blässchen stören die anschließende Auswertung massiv. Die Menge der Blässchen nimmt jeweils mit der Belastungsfrequenz sowie der Erhöhung des Pumpenwegs zu. Hier ein Bild... ...mit den Abmessungen des Aufbaus. Ich vermute, dass der große Unteschied im Durchmesser zwischen Pumpe und Leitung (Durchmesser 70 auf 8 mm) sowie der 90 Grad Austritt aus dem Zylinder einen massiven Beitrag zur Bildung dieser Blasen leistet. Die Leitung ist ungefähr 400 mm lang. Was könnte man tun, um die Bildung dieser Blasen zu verhindern. Bzw. woher genau kommen diese Blasen? Tausend Dank für Hilfe und Verbesserungsvorschläge. Greetz Ben


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MontyPythagoras
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  Beitrag No.1, eingetragen 2021-10-08

Hallo BenGuhl, und herzlich willkommen auf dem Matheplaneten. Du hast zwar geschrieben, dass das Wasser relativ gasfrei ist, aber nichts über die Druckverhältnisse. Ich nehme an, in dem "outer water" herrscht Umgebungsdruck. Ist das auch im inneren der Fall? Wenn ja, in welchem Zustand, also Kolben ein- oder ausgefahren? Treten die Blasen beim Hineinpumpen in die Probe auf, oder beim Herauspumpen? Erscheinen und verschwinden die Bläschen mit jedem Hub, oder bleiben sie und steigen nach oben wie in einem Glas Bier? Ich vermute, dass die Bläschen auftreten beim Saughub und beim Wiederhineinpumpen des Wassers in die Probe verschwinden. In dem Fall handelt sich vermutlich um Kavitation. Ciao, Thomas


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BenGuhl
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  Beitrag No.2, vom Themenstarter, eingetragen 2021-10-08

Hallo Thomas, vielen Dank für Deine Antwort! Zu Deinen Anmerkungen: \quoteon(2021-10-08 16:34 - MontyPythagoras in Beitrag No. 1) Ich nehme an, in dem "outer water" herrscht Umgebungsdruck. Ist das auch im inneren der Fall? Wenn ja, in welchem Zustand, also Kolben ein- oder ausgefahren? \quoteoff Das Becken mit dem "outer water" ist immer nach oben hin offen (Umgebungsdruck) und in Ruhe. Zu Beginn in der Ausgangsposition ist der Kolben ausgefahren und die Probe unbelastet (Ruheposition, bezogen auf das Bild würde der Kolben auf der Position ganz links stehen). Ganz am Anfang ist die Probe noch "offen", bedeutet "inner water" und "outer water" haben eine Verbindung (Druckausgleich). Dann wird die Probe verschlossen und das Experiment beginnt. Wenn der Kolben nun eingefahren wird (Bewegung nach rechts, Wasser wird in die Probe gepumpt), wird im inneren der Probe Druck aufgebaut und diese verformt sich. Nach dem ersten Verschließen der Probe bleibt diese auch immer verschlossen. Die Belastung findet dann zyklisch statt (Simulation Herzzyklus) \quoteon(2021-10-08 16:34 - MontyPythagoras in Beitrag No. 1) Treten die Blasen beim Hineinpumpen in die Probe auf, oder beim Herauspumpen? Erscheinen und verschwinden die Bläschen mit jedem Hub, oder bleiben sie und steigen nach oben wie in einem Glas Bier? \quoteoff Wenn das System in Ruhe ist, dann sind keine Bläschen zu sehen, also nichts steigt auf. Extrem wird es wenn der Kolben einfährt, also die Probe belastet wird, Wasser ins innere gepumpt wird und sich verformt. Dann sprudelt es nur so von Bläschen (ähnlich einem Wassergeysir). Beim Ausfahren und entlasten der Probe bewegen sie sich leicht zurück, aber bei weitem nicht so schlimm. Das Hauptproblem sind die Bläschen beim Einfahren/Belasten der Probe. In diesem Belastungsschritt werden es mehr Bläschen je mehr Weg mit dem Kolben zurückgelegt wird oder auch je schneller die zyklische Belastung stattfindet. Als ein Verfahrweg von 2 mm bei 0,5 Hertz produziert sehr wenige Bläschen, 11mm bei 1 Hertz lässt es nur so sprudeln. Wenn der Kolben Wasser in die Probe pumpt dauert es einen kleinen Augenblick, als ob die Bläschen erste einen Weg zurücklegen müssten, bis sie in der Probe sichtbar werden. Deswegen sieht man sie wohl auch bei kleinen Verfarwegen nicht. Danke Dir für die Hilfe!


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MontyPythagoras
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  Beitrag No.3, eingetragen 2021-10-09

Hallo BenGuhl, okay, verstehe. Es dürfte sich trotzdem um Kavitation handeln. Der Zylinder ist nicht zufällig durchsichtig, oder? Wenn das Wasser in die elastische Probe hineingedrückt wird, dann entsteht aufgrund der Trägheit der Flüssigkeit natürlich ein hoher Druck im Zylinder. Das Wasser wird dann durch die Leitung hindurchgedrückt, wo es stark beschleunigt wird aufgrund des Durchmesserunterschieds zwischen Kolben und Leitungsquerschnitt. Bei den vollen 11mm Hub in einer halben Sekunde haben wir eine mittlere Kolbengeschwindigkeit von 22mm/s, in der Leitung dementsprechend eine mittlere Fließgeschwindigkeit von $22\cdot\frac{70^2}{8^2}\text{mm/s}$ oder rund 1,7m/s. Die Reynoldszahl liegt dann in der Leitung im Mittel bei rund 19000, also klar im turbulenten Bereich. Und dann tritt der Strahl mit sehr hoher Geschwindigkeit in die Probe ein, wo der Strahl auf mehr oder weniger stillstehende Flüssigkeit trifft. Du hast also starke Turbulenz überall und praktisch unvorhersehbare Flüssigkeitswirbel, die in Sekundenbruchteilen entstehen und wieder verschwinden. Unmöglich vorherzusagen, wie da die genauen Druckverhältnisse innerhalb der Probe sind, aber ich denke unmittelbar am Austritt wirst Du Bereiche haben, wo der Druck so schnell fällt und aufgrund der Flüssigkeitsträgheit der Unterdruck nicht schnell genug ausgeglichen werden kann, dass es dort zu Kavitation kommt. Es käme auch nicht viel anderes in Frage: 1. Abhängig davon, wie der Aufbau genau aussieht, könnte natürlich irgendwo eine Undichtigkeit in der Zuleitung bestehen und das System könnte in der Saugphase Luft anziehen und in der Druckphase in die Probe hineinblasen. Das halte ich aber für unwahrscheinlich, da dann in der Druckphase an der gleichen Stelle Wasser austreten müsste, wo kurz vorher Luft angesogen wurde. 2. Wenn es Reste von Gas wären, welches vorher im Wasser gelöst war, dann müsste das Sprudeln nach einiger Zeit aufhören, so wie eine Mineralwasserflasche irgendwann auch nicht mehr zischt, wenn man sie oft genug geschüttelt hat. Und das Gas müsste sich in der Probe ansammeln. Wenn man überprüfen will, ob es sich tatsächlich um Kavitation handelt, könnte man natürlich statt Wasser ersatzweise eine ähnlich viskose Flüssigkeit mit deutlich niedrigerem Dampfdruck wie zum Beispiel ein Silikonöl verwenden, wenn das technisch möglich und chemisch mit der Probe und dem Versuchsaufbau verträglich ist. Es ist aber auch möglich, dass das nichts bringt, weil in der Saugphase der statische Druck im Zylinder eventuell auf praktisch null sinkt und auch das Silikonöl möglicherweise verdampfen würde. Wenn die Blasen dann nicht schnell genug wieder implodieren, werden sie halt in die Probe geschoben. Das von Hand zu berechnen halte ich für unmöglich. Wenn es ein großes Problem ist, würde ich eventuell ein paar Drucksensoren verteilen (in der Probe, im Kolben) und schauen, wie der Druckverlauf in der Praxis aussieht. Wesentlich verbessern würde sich die Situation sicherlich, wenn Du den Leitungsquerschnitt deutlich vergrößern könntest, also z.B. 25mm statt 8mm Durchmesser. Ciao, Thomas


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jacha2
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  Beitrag No.4, eingetragen 2021-10-09

Salut, wenn es sich um Kavitation handelt, ... \quoteon(2021-10-08 15:42 - BenGuhl im Themenstart) ...Was könnte man tun, um die Bildung dieser Blasen zu verhindern. Bzw. woher genau kommen diese Blasen? \quoteoff ...die sich, wie dargestellt, an der "Abrisskante" des Flüssigkeitseinschusses (also an der Mündung des in den Hohlraum des "Deforming Specimen" hineinragenden Rohrstumpfes) bildet, könnte sie durch dessen geänderte Formgebung gemindert werden: Rohrmündung - konisch aufweiten oder -reiben, soweit sich das mit den Festigkeitsanforderungen ans Rohr verträgt, - Mündungsstirnfläche abrunden. ggfs. könnte die Rohrmündung auch so geformt werden, daß sie das "Deforming Specimen" an dessen Unterkante wie eine Manschette umfasst und damit von außen abstützt, so daß keine (oder nur eine schwache) Eintrittskante im Innern auftritt. Adieu P.S. Wirkt sich die Ultra-Beschallung irgendwie auf das Ausmaß der Blasenbildung aus (Frequenz/Pulsrate/Intensität)?


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BenGuhl
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  Beitrag No.5, vom Themenstarter, eingetragen 2021-10-11

Hallo zusammen, erstmal tausend Dank für Eure Antworten. Kavitation war auch meine Vermutung. Bin aber kein Fluidmechaniker, deswegen wollte ich mal eine andere Meinung dazu höhren. Ich habe den Aufbau so übernommen wie im Bild angegeben, ein erster Test brachte die genannten Probleme. Zu MontyPythagoras: \quoteon(2021-10-09 10:48 - MontyPythagoras in Beitrag No. 3) Der Zylinder ist nicht zufällig durchsichtig, oder? \quoteoff Leider nein. Jedoch sind die Leitungen durchsichtig. Was man beobachten kann, ist, dass direkt beim Ausgang aus dem Zylinder das Wasser sich zu einer Art weißen Wolke verändert. Bei sehr langsamer Fahrt ist das nicht zu sehen, es wird schlimmer umso schneller der Kolben sich bewegt. Jedoch brauchen wir mindestens 0.7 Hertz, sonst läuft das Ultraschallgerät nicht. \quoteon(2021-10-09 10:48 - MontyPythagoras in Beitrag No. 3) 1. Abhängig davon, wie der Aufbau genau aussieht, könnte natürlich irgendwo eine Undichtigkeit in der Zuleitung bestehen und das System könnte in der Saugphase Luft anziehen und in der Druckphase in die Probe hineinblasen. Das halte ich aber für unwahrscheinlich, da dann in der Druckphase an der gleichen Stelle Wasser austreten müsste, wo kurz vorher Luft angesogen wurde. \quoteoff Kolben und Leitungen sind eigentlich für den Gebrauch mit Druckluft gedacht, wir missbrauchen diese ein wenig mit der Flüssigkeit. Jedoch tritt nirgens sichtbar Wasser aus, und wenn sie gegen Luft dichten sollte Wasser eigentlich kein Problem sein. \quoteon(2021-10-09 10:48 - MontyPythagoras in Beitrag No. 3) Wenn es ein großes Problem ist, würde ich eventuell ein paar Drucksensoren verteilen (in der Probe, im Kolben) und schauen, wie der Druckverlauf in der Praxis aussieht. \quoteoff Es gibt einen Abgang zu einem Drucksensor, welcher kurz vor der Probe seitlich rausläuft. Der Durchmesser der Leitung ist ebenfalls 8 mm wie die Leitung zum Kolbenzylinder und mit Wasser befüllt. In dieser Leitung ist kaum Bewegung, auch keine Bläschen zu sehen. Der Sensor misst den transmuralen Druck zwischen Probeninnerem und dem Wasserbecken (Membransensor, das andere Ende des Sensors geht wieder in das Wasserbecken zurück, also ins "outer water"). Die Druckkurven sind halbwegs Sinusverläufe, hier ein Druckverlauf bei ca. 8 Verfahrweg und 0.85 Hertz. Wenn inner und outer water noch verbunden sind, wird dieser genullt. Nachdem die Probe dann verschlossen ist und der Motor läuft, liegt der Druck zwischen 50 - 200 mmHG (6700 - 26700 Pascal), je nach Kolbenweg natürlich (Die Probe selbst kann zu Beginn über eine Spritze unabhängig mit "Vordruck" versehen werden, da Bereiche unter 50 mmHG uns nicht interessieren). \quoteon(2021-10-09 10:48 - MontyPythagoras in Beitrag No. 3) Wesentlich verbessern würde sich die Situation sicherlich, wenn Du den Leitungsquerschnitt deutlich vergrößern könntest, also z.B. 25mm statt 8mm Durchmesser. \quoteoff Da ich den Versuchsaufbau so übernommen habe, könnte ich auch ein paar Änderungen machen. Ich denke nach Deinen Ausführungen kommt der größte Einfluss durch den Zylinder und die leider nicht änderbare Durchmesseränderung von 70 mm auf 8 mm und dann wieder auf 20 mm in der Probe. Ich würde den Zylinder jetzt komplett rausschmeißen und die Probenaufnahme im Becken neu konstruieren. Der Motor würde so direkt einen Kolben in der Probenaufnahme bewegen, der Durchmesser des Kolbens entspricht dann 20 mm, also ungefähr dem Durchmesser der unverformten Probe (biologisches Material, nicht immer gleich groß). Ich habe mal ein Konzept hier. https://matheplanet.de/matheplanet/nuke/html/uploads/b/55005_Aufbau_Umbau2.png Das sollte das Problem deutlich minimieren, oder? Verbesserungsvorschläge dafür? Tausen Dank weiterhin! Zu jacha2: Erstmal Danke für Deine Empfehlungen, ich werden diese bei der Neukonstruktion berücksichtigen! \quoteon(2021-10-09 23:06 - jacha2 in Beitrag No. 4) Wirkt sich die Ultra-Beschallung irgendwie auf das Ausmaß der Blasenbildung aus (Frequenz/Pulsrate/Intensität)? \quoteoff Schwer zu sagen, wir schallen mit 1 Megahertz, andere Einstellungen gehen leider nicht. Die Intensität ist soweit runter gedreht wie es geht (also der weißgrad des Bildes). Vielmehr kann man leider nicht verstellen, da es ein klinisch/medizinisch zugelassenes Gerät für Untersuchungen am Herzen ist. Tausen Dank weiterhin!


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BenGuhl
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  Beitrag No.6, vom Themenstarter, eingetragen 2021-10-11

Nochmal ein kleiner Nachtrag zu meiner Antwort von vorhin: \quoteon(2021-10-09 10:48 - MontyPythagoras in Beitrag No. 3) Unmöglich vorherzusagen, wie da die genauen Druckverhältnisse innerhalb der Probe sind, aber ich denke unmittelbar am Austritt wirst Du Bereiche haben, wo der Druck so schnell fällt und aufgrund der Flüssigkeitsträgheit der Unterdruck nicht schnell genug ausgeglichen werden kann, dass es dort zu Kavitation kommt. \quoteoff Meinst Du hier den Austritt aus dem Zylinder? Wenn ich es jetzt richtig verstanden habe: Im Zylinder ist hoher Druck während der Zylinder einfährt (Probenbelastung). An den Rändern des Ausgans aus dem Zylinder, also dem Übergang in den deutlich dünneren Schlauch, würde ich sagen kommt es zu einem Druckabfall unter die Grenze, bei welcher das Wasser flüssig bleibt. Es bilden sich Bläschen. Wie im vorigen Post bereits erwähnt, kann man durch den durchsichtigen Schlauch erkennen, dass es direkt beim Ausgangs aus dem Zylinder zur Bildung einer Art "weißen Wolke" kommt. Die Geschwindigkeit steigt dramatisch an, das ganze wird durch die Leitung geschossen. Beim Austritt aus der Leitung bzw. Eintritt in die Probe steigt der Druck wieder. Eigentlich sollten die Bläschen ja hier implodieren, was man in den Ultraschallaufnahmen nicht gesehen hatte, die blieben eigentlich stabil und sind durch die Probe geschossen worden. Aber vielleicht war der Druck nicht hoch genug dafür? Man sieht ebenfalls, dass die Bläschen während der Belastung immer einen Moment brauchen, bis sie innerhalb der Probe sichtbar werden. Vielleicht ist der Grund dafür ja dann auch, dass sie am Zylinderausgang entstehen und dann erst den Weg durch den Schlauch zurücklegen müssen. Das ganze sollte ja dann eigentlich deutlich besser werden, wenn ich die Umbaumaßnahmen wie im Post von vorhin durchführen würde, oder? Danke weiterhin!


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  Beitrag No.7, eingetragen 2021-10-11

Hallo BenGuhl, die Konstruktion dürfte das Problem deutlich verringern, da die Querschnittssprünge verschwinden, an denen es zwangsläufig zu starken Druckschwankungen, Turbulenzen und Massenträgheitswirkungen kommt. \quoteon(2021-10-11 15:29 - BenGuhl in Beitrag No. 5) (...)Jedoch sind die Leitungen durchsichtig. Was man beobachten kann, ist, dass direkt beim Ausgang aus dem Zylinder das Wasser sich zu einer Art weißen Wolke verändert. \quoteoff QED. Man muss ja bedenken, dass nach der Bernoulli-Gleichung es bei dem Querschnittssprung von 70 auf 8mm nicht nur zu einer starken Beschleunigung kommt, sondern infolgedessen auch zu einer Absenkung des statischen Drucks. Es gäbe allerdings noch eine alternative Erklärung: \quoteon(2021-10-11 15:29 - BenGuhl in Beitrag No. 5) Kolben und Leitungen sind eigentlich für den Gebrauch mit Druckluft gedacht, wir missbrauchen diese ein wenig mit der Flüssigkeit. Jedoch tritt nirgens sichtbar Wasser aus, und wenn sie gegen Luft dichten sollte Wasser eigentlich kein Problem sein. \quoteoff Wenn die Undichtigkeit der Zylinder selber wäre, also der Kolben undicht wäre gegen die Zylinderinnenwand, dann würde Wasser am Kolben vorbei sich auf der anderen Seite des Kolbens, aber (unsichtbar) innerhalb des Zylinders ansammeln und Luft auf der offenen Seite des motorischen Antriebs ansaugen. Um das zu prüfen, müsste man den Zylinder auseinander nehmen und schauen, ob sich Wasser darin befindet. Trotzdem müsste dann, wie schon gesagt, sich auch Luft in der Probe sammeln. Also nach wie vor unwahrscheinlich. Die Beschreibung der Druckmessung hat mir ein wenig zu Denken gegeben: \quoteon(2021-10-11 15:29 - BenGuhl in Beitrag No. 5) Es gibt einen Abgang zu einem Drucksensor, welcher kurz vor der Probe seitlich rausläuft. Der Durchmesser der Leitung ist ebenfalls 8 mm wie die Leitung zum Kolbenzylinder und mit Wasser befüllt. In dieser Leitung ist kaum Bewegung, auch keine Bläschen zu sehen. Der Sensor misst den transmuralen Druck zwischen Probeninnerem und dem Wasserbecken (Membransensor, das andere Ende des Sensors geht wieder in das Wasserbecken zurück, also ins "outer water"). \quoteoff Natürlich ist da keine Bewegung drin, denn es ist ja ein toter Arm, wie ein Feldweg, der von einer Bundesstraße abzweigt. Das Wasser rast in der Hauptleitung hin und her zwischen Probe und Zylinder. Das bedeutet aber, dass Du hier einen statischen Druck misst, der nur annähernd dem Druck in der Probe entsprechen dürfte, denn die Geschwindigkeit in dem "toten Zweig" des Sensors ist praktisch null. Bedenke, nochmal, die Bernoulli-Gleichung: je höher die Geschwindigkeit, um so geringer der statische Druck, denn die Summe ist konstant (Höhenterm vernachlässigbar). Im Innern der Probe wird aber auch ziemliche Bewegung, also "Geschwindigkeit" sein, und daher kaum berechenbare Drücke und Druckwellen. Kein Wunder, dass man am Sensor keine Blasen feststellt: kein Unterdruck, daher keine Kavitation, und wenn es eine andere Ursache für die Bläschen gäbe, hätten die auch keinen Grund, sich zum Sensor zu verirren. Ich bleibe dabei, dass es sich mit >90% um Kavitation handelt und dass Du eine deutliche Verbesserung feststellen wirst mit der modifizierten Konstruktion. Ciao, Thomas [Die Antwort wurde nach Beitrag No.5 begonnen.]


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