Kavitation zählt zu den kritischsten und kostspieligsten Phänomenen in flüssigkeitsdurchströmten Turbomaschinen. Sie begrenzt den Betriebsbereich, mindert den Wirkungsgrad, verursacht Lärm und Vibrationen – und kann im schlimmsten Fall innerhalb kurzer Zeit zu irreversiblen Materialschäden führen. Die CFD-basierte Kavitationssimulation ist heute das zuverlässigste Werkzeug, um diesem Phänomen bereits in der Auslegungsphase wirksam zu begegnen.

Was ist Kavitation – und warum ist sie so gefährlich?

Kavitation bezeichnet die lokale Verdampfung einer Flüssigkeit infolge eines Druckabfalls unter den dampfdruckabhängigen Siedepunkt – ohne Temperaturerhöhung. In Turbomaschinen tritt dieser Druckabfall typischerweise an Stellen hoher Strömungsgeschwindigkeit auf: an der Saugseite von Pumpenlaufrädern, an der Druckkante von Propellerflügeln oder in engen Spaltbereichen.

Die entstehenden Dampfblasen kollabieren schlagartig, sobald sie in Bereiche höheren Drucks gelangen. Dieser Kollaps erzeugt:

• Mikroimpulsstrahlen mit lokalen Druckspitzen von mehreren tausend Bar – Hauptursache für Materialabtrag (Kavitationserosion)
• Druckpulsationen und Vibrationen, die Lager, Dichtungen und angrenzende Strukturen belasten
• Lärmentwicklung durch breitbandige akustische Emissionen im charakteristischen Knister- und Klopfgeräusch
• Leistungseinbruch: Große Kavitationsgebiete blockieren die Strömungsquerschnitte und führen zum Zusammenbruch von Förderhöhe oder Schub

Kavitation als limitierendes Phänomen für Turbomaschinen

Die Kavitation ist ein limitierendes Phänomen für Turbomaschinen, die in Flüssigkeiten betrieben werden. Für die Vorhersage des Kavitationsbeginns und seiner Auswirkungen auf die Maschinenleistung wird die CFD-Simulation als zuverlässigstes Verfahren eingesetzt. Betroffen sind nahezu alle Maschinentypen, in denen Flüssigkeiten beschleunigt oder umgelenkt werden:

• Kreiselpumpen – besonders bei niedrigem Zulaufdruck (NPSH-Unterschreitung)
• Schiffs- und Unterwasserpropeller – bei hoher Belastung oder im Teillastbetrieb
• Pumpenturbinen und Wasserturbinen (Francis, Kaplan, Pelton) – in Teillast- und Überlastbereichen
• Hydraulikmotoren und -pumpen in Hochdrucksystemen
• Inducer-Stufen in Raketentriebwerken und Hochleistungspumpen

Kavitationssimulation mit CFD: Physikalische Grundlagen

Moderne CFD-Kavitationsmodelle basieren auf einem Zweiphasenansatz: Die Strömung wird als Gemisch aus flüssiger und dampfförmiger Phase modelliert, wobei der lokale Dampfvolumenanteil durch eine Transportgleichung gesteuert wird. Etablierte Modellansätze sind:

• Schnerr-Sauer-Modell: Basiert auf der vereinfachten Rayleigh-Plesset-Gleichung für das Blasenwachstum; gut validiert für Pumpenkavitation
• Zwart-Gerber-Belamri-Modell: Berücksichtigt die Wechselwirkung zwischen Blasenpopulation und Massentransfer; weit verbreitet in industriellen Anwendungen
• Merkle-Modell: Druckbasierter Massentransfer-Ansatz, besonders stabil bei transienten Berechnungen

Ergänzt wird das Kavitationsmodell durch geeignete Turbulenzmodelle (k-ω SST, k-ε Realizable) und – bei Bedarf – durch Modelle für thermische Effekte, die bei kryogenen Fluiden oder heißem Wasser relevant werden.

Was leistet die CFD-Kavitationssimulation konkret?

Eine sorgfältig aufgesetzte Kavitationssimulation liefert weit mehr als nur eine Aussage darüber, ob Kavitation auftritt. Typische Ergebnisse umfassen:

• Kavitationsbeginn (Inception): Bestimmung des kritischen Betriebspunkts (Druck, Volumenstrom, Drehzahl), ab dem Kavitation einsetzt – als Grundlage für NPSH-Kurven und Sicherheitsnachweise
• Räumliche Kavitationsausbreitung: Visualisierung der Dampfvolumenanteile über Schaufeloberflächen, im Spalt oder im Saugmund – zur Identifikation erosionsgefährdeter Bereiche
• Leistungsabfall durch Kavitation: Quantifizierung des Förderhöhen- oder Schubabfalls in Abhängigkeit des Kavitationsindexes σ
• Instationäre Kavitationsdynamik: Simulation periodisch kollabierender Kavitationsstrukturen (Cloud Cavitation, Sheet Cavitation) und ihrer Druckpulsationen
• Erosionspotenzial-Karten: Identifikation von Materialabtragszonen durch Auswertung lokaler Druckimpulse beim Blasenkollaps

Unser Workflow: Kavitationssimulation mit Open-Source-Software

Unsere Kavitationssimulationen werden vollständig mit Open-Source-Software durchgeführt – primär mit OpenFOAM und eingebettet in den automatisierten InsightCAE-Workflow:

• Geometrie und Vernetzung: Automatisierte Netzgenerierung mit feiner Wandauflösung und Netzverdichtung in kavitationsgefährdeten Bereichen
• Stationäre Voruntersuchung: Schnelle Bewertung des Druckfeldes und Identifikation kritischer Zonen ohne Kavitationsmodell
• Instationäre Kavitationssimulation: Aktivierung des Zweiphasenmodells und Berechnung des zeitabhängigen Kavitationsverhaltens
• Automatisiertes Post-Processing: Kennlinienauswertung, Visualisierung der Dampfvolumenanteile, Druckpulsationsanalyse
• Parametervariation: Systematische Berechnung mehrerer Betriebspunkte zur Erstellung vollständiger NPSH-Kurven

Kavitationssimulation als Grundlage für kavitationsrobuste Auslegung

Die eigentliche Stärke der CFD-basierten Kavitationsanalyse liegt nicht allein in der Diagnose – sondern in der Optimierung. Auf Basis der Simulationsergebnisse lassen sich gezielt konstruktive Maßnahmen ableiten und bewerten:

• Anpassung der Schaufelgeometrie (Profilform, Einlaufkante, Wölbung) zur Druckverteilungsoptimierung
• Variation des Zulaufdrucks und des Laufrad-Vordralles
• Einsatz kavitationsresistenter Werkstoffe in identifizierten Erosionszonen
• Geometrische Optimierung von Inducer-Stufen zur NPSH-Absenkung

In Kombination mit unserem automatisierten Optimierungs-Framework lassen sich viele Geometrievarianten systematisch auf ihr Kavitationsverhalten untersuchen – ohne manuellen Mehraufwand je Variante.

Fazit: Kavitation berechnen, bevor sie Schäden verursacht

Kavitation in Turbomaschinen ist kein unbeherrschbares Schicksal – sie ist berechenbar, lokalisierbar und durch gezielte Konstruktionsmaßnahmen beherrschbar. Die CFD-Kavitationssimulation auf Basis von OpenFOAM bietet dafür das genaueste und kosteneffizienteste Werkzeug: ohne Lizenzkosten, vollständig automatisierbar und direkt in den Entwurfsprozess integrierbar.

Sie möchten das Kavitationsverhalten Ihrer Pumpe, Ihres Propellers oder Ihrer Turbine numerisch untersuchen? Kontaktieren Sie uns – wir analysieren Ihre Maschine und identifizieren Optimierungspotenziale, bevor es zu Schäden kommt.